Mengontrol TDS dalam Air Ketel Uap

Kebutuhan untuk mengukur dan mengontrol total padatan terlarut (TDS) dalam air ketel uap, dan metode yang digunakan untuk melakukannya, termasuk kontrol elektronik loop tertutup dengan sensor konduktivitas.

Mengontrol TDS dalam Air Ketel Uap

Saat ketel menghasilkan uap, setiap kotoran yang ada dalam air umpan ketel dan tidak menguap bersama uap akan terkonsentrasi dalam air ketel. Saat padatan terlarut menjadi semakin terkonsentrasi, gelembung uap cenderung menjadi lebih stabil, gagal pecah saat mencapai permukaan air ketel. Ada titik (tergantung pada tekanan ketel, ukuran, dan beban uap) di mana sebagian besar ruang uap dalam ketel menjadi dipenuhi gelembung dan busa terbawa ke pipa uap utama. Hal ini jelas tidak diinginkan bukan hanya karena uap terlalu basah saat meninggalkan ketel, tetapi juga mengandung air ketel dengan tingkat padatan terlarut dan mungkin tersuspensi yang tinggi. Padatan ini akan mengontaminasi katup kontrol, penukar panas, dan steam trap. Meskipun busa dapat disebabkan oleh tingkat padatan tersuspensi yang tinggi, alkalinitas tinggi, atau kontaminasi oleh minyak dan lemak, penyebab paling umum dari carryover (selama faktor-faktor lain ini dikontrol dengan benar) adalah tingkat Total Padatan Terlarut (TDS) yang tinggi. Kontrol yang cermat terhadap tingkat TDS air ketel bersama dengan perhatian terhadap faktor-faktor lain ini seharusnya memastikan bahwa risiko busa dan carryover diminimalkan. TDS dapat dinyatakan dalam sejumlah unit yang berbeda, dan Tabel 3.12.1 memberikan beberapa perkiraan konversi dari TDS dalam ppm ke unit lainnya. Derajat Baumé dan derajat Twaddle (juga dieja Twaddell) adalah skala hydrometer alternatif.

Pengambilan sampel air ketel

TDS air ketel dapat diukur baik dengan:

• Mengambil sampel, dan menentukan TDS secara eksternal dari ketel, atau dengan
• Sensor di dalam ketel memberikan sinyal ke monitor eksternal. Pengambilan sampel untuk analisis eksternal Saat mengambil sampel air ketel, penting untuk memastikan bahwa sampel tersebut representatif. Tidak disarankan untuk mengambil sampel dari gelas pengukur tingkat atau ruang kontrol eksternal; air di sini relatif murni berupa kondensat yang terbentuk oleh kondensasi uap yang berkelanjutan di gelas/ruang eksternal. Demikian pula, sampel dari dekat koneksi masukan air umpan ketel kemungkinan akan memberikan pembacaan yang salah. Saat ini, sebagian besar pembuat ketel memasang koneksi untuk blowdown TDS, dan umumnya mungkin untuk mendapatkan sampel representatif dari lokasi ini. Jika air hanya ditarik dari ketel, sebagian akan berubah menjadi uap dengan sangat cepat saat tekanannya berkurang. Hal ini bukan hanya sangat berbahaya bagi operator, tetapi analisis berikutnya juga akan sangat salah, karena hilangnya uap flash yang mengonsentrasi sampel. Karena sampel yang dingin diperlukan untuk analisis, pendingin sampel juga akan menghemat banyak waktu dan mendorong pengujian yang lebih sering. Pendingin sampel adalah penukar panas kecil yang menggunakan air ledeng dingin untuk mendinginkan sampel air blowdown.

Metode densitas relatif

Densitas relatif air berhubungan dengan kandungan padatan terlarutnya. Untuk air mentah, air umpan, dan kondensat, densitas relatif sangat dekat dengan air murni sehingga tidak dapat diukur secara memuaskan menggunakan hydrometer. Namun untuk air ketel, hydrometer dapat digunakan untuk mendapatkan pengukuran perkiraan dari padatan terlarut, karena untuk air ketel setiap peningkatan 0.000 1 densitas relatif pada 15,5°C kurang lebih sama dengan 110 ppm. Hydrometer yang sangat sensitif diperlukan yang membutuhkan penanganan dan penggunaan yang hati-hati jika pengukuran TDS yang memuaskan ingin diperoleh. Prosedurnya secara umum adalah sebagai berikut:

• Saring sampel air ketel yang didinginkan untuk menghilangkan padatan tersuspensi, yang jika tidak akan memberikan pembacaan yang salah.
• Dinginkan hingga 15,5°C
• Tambahkan beberapa tetes agen pembasah untuk membantu mencegah gelembung menempel pada hydrometer.
• Tempatkan hydrometer dalam sampel dan putar perlahan untuk menghilangkan gelembung.
• Baca densitas relatif.
• Baca TDS dari tabel yang disertakan dengan hydrometer atau hitung TDS dalam ppm menggunakan Persamaan 3.12.1:

Hydrometer adalah instrumen halus yang mudah rusak. Untuk menghindari pembacaan yang salah, harus diperiksa secara teratur terhadap air suling. Metode konduktivitas Konduktivitas listrik air juga tergantung pada jenis dan jumlah padatan terlarut yang terkandung. Karena keasaman dan alkalinitas memiliki pengaruh besar pada konduktivitas listrik, perlu untuk menetralkan sampel air ketel sebelum mengukur konduktivitasnya. Prosedurnya adalah sebagai berikut:

• Tambahkan beberapa tetes larutan indikator fenolftalein ke sampel yang didinginkan (< 25°C).
• Jika sampel bersifat basa, warna ungu yang kuat akan diperoleh.
• Tambahkan asam asetat (biasanya 5%) setetes demi setetes untuk menetralkan sampel, aduk hingga warna menghilang. TDS dalam ppm kemudian kurang lebih seperti ditunjukkan pada Persamaan 3.12.2: Alternatifnya, meter konduktivitas bertenaga baterai dengan kompensasi suhu yang ditunjukkan pada Gambar 3.12.2 cocok untuk digunakan hingga suhu 45°C.

Pengukuran konduktivitas dalam ketel

Perlu untuk mengukur konduktivitas air ketel di dalam ketel atau di jalur blowdown. Jelas, kondisinya sangat berbeda dari sampel yang diperoleh melalui pendingin sampel yang akan didinginkan dan kemudian dinetralkan (pH = 7). Aspek utamanya adalah perbedaan suhu yang besar dan pH tinggi. Peningkatan suhu menghasilkan peningkatan konduktivitas listrik. Untuk air ketel, konduktivitas meningkat pada laju sekitar 2% (dari nilai pada 25°C) untuk setiap peningkatan 1°C suhu. Ini dapat ditulis sebagai: Contoh 3.12.3 Sampel air ketel memiliki konduktivitas tanpa netralisasi sebesar 5 000 μS/cm pada 25°C. Berapa konduktivitas air ketel pada 10 bar g? Ini berarti efek suhu harus diperhitungkan dalam kontroler blowdown, baik dengan kompensasi suhu otomatis, atau dengan mengasumsikan bahwa tekanan ketel (dan karenanya suhu) konstan. Variasi kecil dalam tekanan ketel selama variasi beban hanya memiliki efek yang relatif kecil, tetapi jika pembacaan TDS yang akurat diperlukan pada ketel yang beroperasi pada tekanan yang sangat bervariasi maka kompensasi suhu otomatis sangat penting. Konstanta sel Probe yang digunakan untuk mengukur konduktivitas cairan memiliki ‘konstanta sel’. Nilai konstanta ini tergantung pada tata letak fisik probe dan jalur listrik melalui cairan. Semakin jauh ujung probe dari bagian ketel manapun, semakin tinggi konstanta selnya. Setiap perbedaan dalam konstanta sel diperhitungkan saat ‘mengkalibrasi’ kontroler. Konduktivitas dan resistansi berhubungan melalui konstanta sel, seperti terlihat pada Persamaan 3.12.4:

Sementara konduktivitas air ketel dikonversi ke resistansi melalui probe, itu tidak dapat diukur menggunakan meter resistansi dc sederhana. Jika tegangan dc diterapkan pada probe, gelembung hidrogen atau oksigen kecil terbentuk pada permukaan akibat elektrolisis air. Efek ini, yang disebut polarisasi elektrolitik, menyebabkan resistansi yang jauh lebih tinggi untuk diukur. Oleh karena itu perlu menggunakan tegangan ac untuk mengukur resistansi probe dan ini adalah metode yang selalu dipilih dalam kontroler blowdown. Frekuensi yang relatif tinggi (misalnya 1 000 Hz) diperlukan untuk menghindari polarisasi pada konduktivitas tinggi air ketel.

Menentukan TDS air ketel yang diperlukan

Konsentrasi padatan terlarut aktual di mana busa mungkin mulai bervariasi dari ketel ke ketel. Ketel shell konvensional biasanya beroperasi dengan TDS dalam rentang 2 000 ppm untuk ketel sangat kecil, dan hingga 3 500 ppm untuk ketel yang lebih besar, selama:

• Ketel beroperasi mendekati tekanan desainnya.
• Kondisi beban uap tidak terlalu berat.
• Kondisi air ketel lainnya dikontrol dengan benar. Melakukan blowdown ketel untuk mempertahankan tingkat TDS ini seharusnya membantu memastikan bahwa uap yang relatif bersih dan kering dikirim ke pabrik. Tabel 3.12.2 memberikan beberapa pedoman umum tentang tingkat maksimum yang diizinkan dari TDS air ketel pada jenis ketel tertentu. Di atas tingkat ini, masalah mungkin terjadi. Catatan: Angka-angka dalam Tabel 3.12.2 ditawarkan sebagai panduan umum saja. Pembuat ketel harus selalu dikonsultasikan untuk rekomendasi spesifik. Menghitung laju blowdown Informasi berikut diperlukan:
• TDS air ketel yang diperlukan dalam bagian per juta (Tabel 3.12.1).
• TDS air umpan dalam bagian per juta. Nilai rata-rata dapat diperoleh dengan melihat catatan perlakuan air, atau sampel air umpan dapat diperoleh dan konduktivitasnya diukur. Seperti halnya pengukuran TDS air ketel, konduktivitas (μS/cm) x 0,7 = TDS dalam bagian per juta (pada 25°C). Catatan: sampel air umpan yang diperlukan berasal dari jalur umpan ketel atau dari tangki umpan dan bukan sampel air pasokan yang memasok tangki umpan.
• Jumlah uap yang dihasilkan ketel, biasanya diukur dalam kg/jam. Untuk memilih sistem blowdown, angka terpenting biasanya adalah jumlah maksimum uap yang dapat dihasilkan ketel pada beban penuh. Ketika informasi di atas tersedia, laju blowdown yang diperlukan dapat ditentukan menggunakan Persamaan 3.12.5:

Mengontrol laju blowdown Ada beberapa cara berbeda untuk mengontrol laju blowdown. Perangkat paling sederhana adalah pelat orifis (Gambar 3.12.3). Ukuran orifis dapat ditentukan berdasarkan:

• Laju aliran - Cara menghitung laju aliran ditunjukkan di atas.
• Penurunan tekanan - Secara teoritis ini akan dari tekanan ketel ke tekanan atmosfer. Namun, gesekan pipa dan tekanan balik tidak dapat dihindari, jadi untuk tujuan Modul ini, asumsikan tekanan di sisi hilir orifis adalah 0,5 bar g. Ada masalah: orifis tidak dapat disesuaikan dan karenanya hanya dapat benar untuk satu set kondisi tertentu. Jika laju penguapan:
• Meningkat - Orifis tidak akan melewatkan air yang cukup. Tingkat TDS ketel akan meningkat, dan priming serta carryover akan terjadi.
• Berkurang - Orifis akan melewatkan terlalu banyak air. Laju blowdown akan terlalu besar dan energi akan terbuang. Flashing Air yang dialirkan dari ketel berada pada suhu jenuh, dan ada penurunan tekanan di atas orifis yang hampir sama dengan seluruh tekanan ketel. Ini berarti sebagian besar air akan berubah menjadi uap flash, meningkatkan volumenya dengan faktor lebih dari 1 000. Perubahan fase dan volume yang cepat dan agresif di atas orifis dapat menyebabkan erosi dan wiredrawing pada orifis. Ini meningkatkan baik ukuran dan karakteristik aliran (koefisien debit) orifis, menghasilkan laju blowdown yang terus meningkat. Uap, sebagai gas, dapat bergerak jauh lebih cepat daripada air (cairan). Namun, uap dan air tidak memiliki kesempatan untuk terpisah dengan benar, yang mengakibatkan tetesan air bergerak dengan kecepatan sangat tinggi bersama uap ke dalam pipa. Hal ini menyebabkan erosi lebih lanjut dan kemungkinan waterhammer dalam pipa dan peralatan hilir. Masalah flashing meningkat dengan tekanan ketel. Harus juga diingat bahwa air yang dialirkan dari ketel adalah kotor dan tidak membutuhkan banyak kotoran untuk membatasi atau bahkan menyumbat lubang kecil.

Katup blowdown

Katup blowdown kontinu Dalam bentuk paling sederhana, ini adalah katup jarum. Dalam tampilan atas, ada cincin dengan:

• Keliling luar ditentukan oleh dudukan katup.
• Keliling dalam ditentukan oleh jarum. Jika peningkatan laju aliran diperlukan, jarum disesuaikan keluar dari dudukan dan celah antara jarum dan dudukan ditingkatkan. Untuk memastikan kecepatan yang wajar melalui orifis, ukuran orifis yang diperlukan untuk laju blowdown 1 111 kg/jam (dari Contoh 3.12.5) akan sekitar 3,6 mm. Dengan mengambil diameter dudukan katup 10 mm, dimungkinkan untuk menghitung diameter jarum pada titik di mana ia diset untuk memberikan aliran yang diperlukan sebesar 1 111 kg/jam, sebagai berikut: Oleh karena itu: Menyelesaikan persamaan menunjukkan bahwa diameter jarum pada pengaturan yang benar adalah 9,33 mm. Celah adalah setengah dari selisih diameter. Ini adalah kelemahan mendasar dari katup blowdown kontinu; celah sangat kecil sehingga penyumbatan oleh partikel kecil sulit dihindari. Selain itu, masalah flashing di atas dudukan katup masih harus diatasi. Celah yang rendah berarti campuran uap/air berkecepatan tinggi mengalir dekat dengan permukaan jarum dan dudukan. Erosi (wiredrawing) tidak dapat dihindari, menyebabkan kerusakan dan kegagalan selanjutnya untuk menutup. Katup blowdown kontinu telah dikembangkan selama bertahun-tahun dari katup jarum sederhana, dan sekarang menggabungkan beberapa tahap, mungkin berupa tiga atau empat dudukan yang secara progresif lebih besar dalam katup, dan bahkan termasuk jalur heliks. Tujuannya adalah untuk menghilangkan energi secara bertahap dalam tahapan daripada sekaligus. Jenis katup ini awalnya dirancang untuk operasi manual, dan dilengkapi dengan skala dan penunjuk yang dipasang pada gagang. Dalam lingkungan operasional, sampel air ketel diambil, TDS ditentukan, dan penyesuaian yang sesuai dilakukan pada posisi katup. Untuk mengikuti teknologi modern dan tuntutan pasar, beberapa katup blowdown kontinu ini telah dilengkapi dengan aktuator listrik atau pneumatik. Namun, masalah mendasar dari celah kecil, flashing, dan wiredrawing masih ada, dan kerusakan pada dudukan katup tidak dapat dihindari. Meskipun menggunakan sistem kontrol loop tertutup, blowdown berlebihan akan terjadi. Katup blowdown ketel hidup/mati Ada keuntungan menggunakan perangkat kontrol yang lebih besar dengan celah lebih besar, tetapi hanya membukanya untuk sebagian waktu. Jelas, moderasi diperlukan jika TDS ketel ingin dipertahankan antara nilai yang wajar, dan katup DN15 dan 20 adalah ukuran paling umum yang ditemukan. Pengaturan tipikal adalah mengatur kontroler untuk membuka katup pada, misalnya 3 000 ppm, kemudian menutup katup pada 3.000 – 10% = 2 700 ppm. Ini akan memberikan keseimbangan yang baik antara katup berukuran wajar dan kontrol yang akurat.
• Jenis katup yang dipilih juga penting:
• Untuk ketel kecil dengan laju blowdown rendah dan tekanan kurang dari 10 bar g, katup solenoid dengan peringkat yang sesuai akan memberikan solusi yang hemat biaya. Untuk ketel yang lebih besar dengan laju blowdown lebih tinggi, dan tentu saja pada ketel dengan tekanan operasi di atas 10 bar g, katup yang lebih canggih diperlukan untuk menjauhkan flashing dari dudukan katup untuk melindunginya dari kerusakan. Katup jenis ini mungkin juga memiliki langkah yang dapat disesuaikan untuk memberi pengguna fleksibilitas untuk memilih laju blowdown yang sesuai untuk ketel, dan peralatan pemulihan panas yang digunakan.

Sistem kontrol elektronik loop tertutup

Sistem ini mengukur konduktivitas air ketel, membandingkannya dengan titik setel, dan membuka katup kontrol blowdown jika tingkat TDS terlalu tinggi. Sejumlah jenis berbeda tersedia di pasaran yang akan mengukur konduktivitas baik di dalam ketel, atau di ruang pengambilan sampel eksternal yang dibersihkan secara teratur untuk mendapatkan sampel representatif dari air ketel. Pemilihan aktual akan tergantung pada faktor-faktor seperti jenis ketel, tekanan ketel, dan jumlah air yang akan di-blowdown. Sistem ini dirancang untuk mengukur konduktivitas air ketel menggunakan probe konduktivitas. Nilai yang diukur dibandingkan dengan titik setel yang diprogram ke dalam kontroler oleh pengguna. Jika nilai yang diukur lebih besar dari titik setel, katup kontrol blowdown dibuka hingga titik setel tercapai. Biasanya, pengguna juga dapat menyesuaikan ‘dead-band’. Seperti disebutkan sebelumnya, peningkatan suhu air menghasilkan peningkatan konduktivitas listrik. Jelas jika ketel beroperasi pada rentang suhu/tekanan yang luas, seperti saat ketel pada pengaturan malam, atau bahkan ketel dengan rentang kontrol burner yang luas, maka kompensasi diperlukan, karena konduktivitas adalah faktor pengontrol. Manfaat kontrol TDS otomatis

• Keuntungan penghematan tenaga kerja dari otomatisasi.
• Kontrol yang lebih ketat terhadap tingkat TDS ketel.
• Potensi penghematan dari sistem pemulihan panas blowdown (jika terpasang). Perhitungan penghematan lebih lanjut akibat pengurangan laju blowdown dijelaskan dalam teks berikut dan dalam Contoh 3.12.6. Di mana metode saat ini hanya blowdown manual dari bagian bawah ketel, mungkin dapat dilakukan dengan melihat catatan perlakuan air sebelumnya, untuk mendapatkan gambaran tentang seberapa banyak TDS ketel bervariasi selama periode beberapa minggu. Dengan inspeksi, angka TDS rata-rata dapat ditetapkan. Di mana nilai maksimum aktual kurang dari angka maksimum yang diizinkan, rata-rata seperti ditunjukkan. Di mana nilai maksimum aktual melebihi maksimum yang diizinkan, rata-rata yang diperoleh harus dikurangi secara proporsional, karena diinginkan bahwa angka TDS maksimum yang diizinkan tidak boleh dilampaui. Contoh 3.12.6 Gambar 3.12.8 menunjukkan bahwa TDS rata-rata dengan blowdown bawah manual yang dioperasikan dengan baik secara signifikan di bawah maksimum yang diizinkan. Misalnya TDS maksimum yang diizinkan mungkin 3 500 ppm dan TDS rata-rata hanya 2 000 ppm. Ini berarti bahwa laju blowdown aktual jauh lebih besar dari yang diperlukan. Berdasarkan TDS air umpan 200 ppm, laju blowdown aktual adalah: Dengan memasang sistem kontrol TDS otomatis, TDS air ketel rata-rata dapat dipertahankan pada tingkat yang hampir sama dengan TDS maksimum yang diizinkan seperti ditunjukkan pada Gambar 3.12.9; Mengevaluasi penghematan dengan mengurangi laju blowdown Jika ketel akan memasok sejumlah uap tertentu, air yang di-blowdown harus selain dari jumlah ini. Energi yang hilang dalam blowdown adalah energi yang disuplai ke jumlah air tambahan yang dipanaskan hingga suhu jenuh, dan kemudian di-blowdown. Perkiraan yang dekat dapat diperoleh menggunakan tabel uap. Menggunakan angka dari Contoh 3.12.5, jika ketel beroperasi pada 10 bar g, menghasilkan uap pada 5 000 kg/jam dan memiliki suhu air umpan 80°C (hf = 335 kJ/kg), perubahan dalam kebutuhan energi dapat dihitung sebagai berikut: Kondisi 1, kontrol TDS manual: Laju blowdown = 11,1% Contoh 3.12.7 Kondisi 2, kontrol TDS otomatis: