น้ำสำหรับหม้อไอน้ำ

โรงงานหม้อไอน้ำต้องทำงานอย่างปลอดภัย ด้วยประสิทธิภาพการเผาไหม้และการถ่ายเทความร้อนสูงสุด เพื่อช่วยให้บรรลุสิ่งนี้และอายุการใช้งานยาวนาน บำรุงรักษาต่ำ น้ำหม้อไอน้ำสามารถบำบัดทางเคมีได้

น้ำสำหรับหม้อไอน้ำ

วัตถุประสงค์การทำงานสำหรับโรงงานหม้อไอน้ำรวมถึง:

• การทำงานที่ปลอดภัย
• ประสิทธิภาพการเผาไหม้และการถ่ายเทความร้อนสูงสุด
• การบำรุงรักษาต่ำสุด
• อายุการใช้งานยาวนาน คุณภาพของน้ำที่ใช้ผลิตไอน้ำในหม้อไอน้ำจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อการบรรลุวัตถุประสงค์เหล่านี้ ความจำเป็นที่หม้อไอน้ำทำงานภายใต้เกณฑ์ต่อไปนี้:
• ปลอดจากตะกรัน - หากมีความกระด้างในน้ำเลี้ยงและไม่ถูกควบคุมทางเคมี การก่อตัวของตะกรันบนพื้นผิวถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้น ลดการถ่ายเทความร้อนและประสิทธิภาพ ทำให้ต้องทำความสะอาดหม้อไอน้ำบ่อย ในกรณีรุนแรง จุดร้อนท้องถิ่นอาจเกิดขึ้น นำไปสู่ความเสียหายทางกลหรือแม้แต่ท่อเสียหาย
• ปลอดจากการกัดกร่อนและการโจมตีทางเคมี - หากน้ำมีก๊าซที่ละลาย โดยเฉพาะออกซิเจน การกัดกร่อนของพื้นผิวหม้อไอน้ำ ท่อ และอุปกรณ์อื่นๆ อาจเกิดขึ้น หากค่า pH ของน้ำต่ำเกินไป สารละลายกรดจะโจมตีพื้นผิวโลหะ หากค่า pH สูงเกินไปและน้ำเป็นด่าง ปัญหาอื่นๆ เช่น การเกิดฟองอาจเกิดขึ้น การเปราะจากด่างหรือรอยแตกจากด่างต้องถูกป้องกันเพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวของโลหะ รอยแตกและความเปราะเกิดจากความเข้มข้นของโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่สูงเกินไป หม้อไอน้ำแบบหมุดเก่าเสี่ยงต่อการโจมตีประเภทนี้มากกว่า อย่างไรก็ตาม ต้องระวังในหม้อไอน้ำแบบเชื่อมสมัยใหม่ที่ปลายท่อด้วย

ไอน้ำคุณภาพดี

หากสิ่งเจือปนในน้ำเลี้ยงหม้อไอน้ำไม่ถูกจัดการอย่างถูกต้อง การพัดพาน้ำหม้อไอน้ำเข้าระบบไอน้ำอาจเกิดขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาอื่นๆ ในระบบไอน้ำ เช่น:

• การปนเปื้อนพื้นผิววาล์วควบคุม - จะส่งผลต่อการทำงานและลดความสามารถ
• การปนเปื้อนพื้นผิวถ่ายเทความร้อนของโรงงานกระบวนการ - จะเพิ่มความต้านทานความร้อนและลดประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน
• การจำกัดรูวาล์วกันกลับ - จะลดความสามารถวาล์วกันกลับและในที่สุดนำไปสู่โรงงานที่มีน้ำขังและผลผลิตลดลง การพัดพาอาจเกิดจากสองปัจจัย:

1. Priming - เป็นการขับน้ำหม้อไอน้ำเข้าจุดดึงไอน้ำและโดยทั่วไปเกิดจากหนึ่งหรือหลายข้อต่อไปนี้: -เดินหม้อไอน้ำด้วยระดับน้ำสูงเกินไป -เดินหม้อไอน้ำต่ำกว่าความดันออกแบบ ซึ่งเพิ่มปริมาตรและปริมาตรของไอน้ำที่ปล่อยจากผิวน้ำ -ความต้องการไอน้ำเกิน
2. การเกิดฟอง - เป็นการก่อตัวของฟองในพื้นที่ระหว่างผิวน้ำและจุดดึงไอน้ำ ยิ่งมีการเกิดฟองมาก ปัญหายิ่งมาก ต่อไปนี้เป็นสัญญาณและผลของการเกิดฟอง: -น้ำจะไหลลงจากจุดเชื่อมต่อไอน้ำของเกจวัดระดับ ซึ่งทำให้ยากที่จะระบุระดับน้ำอย่างแม่นยำ -หัววัดระดับ โฟลต และเซลล์ความดันแตกต่างมีปัญหาในการระบุระดับน้ำอย่างแม่นยำ -สัญญาณเตือนอาจดังและหัวเผาอาจ ‘ล็อกเอาต์’ ซึ่งต้องรีเซ็ตแผงควบคุมหม้อไอน้ำด้วยมือก่อนที่จะกลับมาจ่ายได้ ปัญหาเหล่านี้อาจเกิดจากทั้งหมดหรือบางส่วนจากการเกิดฟองในหม้อไอน้ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการเกิดฟองเป็นเรื่องปกติของน้ำหม้อไอน้ำ ต้องมีความเข้าใจเกี่ยวกับตัวฟองเองมากขึ้น:

• คำจำกัดความพื้นผิว - ฟองบนแก้วเบียร์ลอยอยู่บนของเหลวและเส้นแบ่งของเหลว/ฟองชัดเจน ในของเหลวที่เดือด พื้นผิวของเหลวไม่ชัดเจน แปรผันจากฟองไอน้ำเล็กน้อยที่ก้นภาชนะไปจนถึงฟองไอน้ำขนาดใหญ่ที่ด้านบน
• การกวนเพิ่มการเกิดฟอง - แนวโน้มเป็นหม้อไอน้ำเล็กลงสำหรับอัตราผลิตไอน้ำที่กำหนด หม้อไอน้ำเล็กมีพื้นที่ผิวน้ำน้อย ดังนั้นอัตราที่ไอน้ำปล่อยต่อตารางเมตรของพื้นที่น้ำเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าการกวนที่ผิวมีมากกว่า ดังนั้นหม้อไอน้ำเล็กมีแนวโน้มเกิดฟองมากกว่า
• ความกระด้าง - น้ำกระด้างไม่เกิดฟอง อย่างไรก็ตาม น้ำหม้อไอน้ำถูกทำให้นิ่มโดยเจตนาเพื่อป้องกันการก่อตัวของตะกรัน ซึ่งทำให้มีแนวโน้มเกิดฟอง
• สารคอลลอยด์ - การปนเปื้อนน้ำหม้อไอน้ำด้วยคอลลอยด์ที่แขวนลอย เช่น นม ทำให้เกิดฟองรุนแรง หมายเหตุ: อนุภาคคอลลอยด์มีขนาดเล็กกว่า 0.0001 มม. และสามารถผ่านตัวกรองธรรมดาได้
• ระดับ TDS - เมื่อ TDS น้ำหม้อไอน้ำเพิ่มขึ้น ฟองไอน้ำมีเสถียรภาพมากขึ้นและไม่เต็มใจแตกและแยกตัว การดำเนินการแก้ไขต่อต้านการพัดพา ทางเลือกต่อไปนี้เปิดให้ผู้จัดการวิศวกรรมเพื่อลดการเกิดฟองในหม้อไอน้ำ:
• การทำงาน - การเดินหม้อไอน้ำอย่างราบรื่นเป็นสิ่งสำคัญ ด้วยหม้อไอน้ำที่ทำงานภายใต้โหลดคงที่และอยู่ในพารามิเตอร์ออกแบบ ปริมาณความชื้นที่ถูกพัดพาไปพร้อมไอน้ำอาจน้อยกว่า 2% หากการเปลี่ยนแปลงโหลดเร็วและมีขนาดใหญ่ ความดันในหม้อไอน้ำอาจลดลงอย่างมาก เริ่มสภาวะปั่นป่วนอย่างรุนแรงเมื่อเนื้อหาของหม้อไอน้ำ flash เป็นไอน้ำ สถานการณ์แย่ลงเพราะความดันที่ลดลงยังหมายความว่าปริมาตรจำเพาะของไอน้ำเพิ่มขึ้นและฟองมีขนาดใหญ่ขึ้นตามสัดส่วน หากสภาวะโรงงานเป็นแบบที่การเปลี่ยนแปลงโหลดขนาดใหญ่เป็นเรื่องปกติ อาจรอบคอบที่จะพิจารณา: -ระบบควบคุมระดับน้ำหม้อไอน้ำแบบปรับเปลี่ยนหากปัจจุบันติดตั้งแบบเปิด/ปิด -‘ระบบควบคุมส่วนเกิน’ ที่จะจำกัดระดับที่ความดันหม้อไอน้ำถูกอนุญาตให้ลดลง -ตัวสะสมไอน้ำ (ดูมอดูล 22 ของบล็อกนี้) -ระบบควบคุม ‘feed-forward’ ที่จะเพิ่มหม้อไอน้ำถึงความดันทำงานสูงสุดก่อนที่โหลดจะถูกใช้ -ระบบควบคุม ‘เปิดช้า’ ที่จะนำโรงงานเข้าระบบในช่วงเวลาที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
• การควบคุมทางเคมี - สารต้านฟองอาจถูกเติมในน้ำหม้อไอน้ำ ทำงานโดยทำลายฟอง อย่างไรก็ตาม สารเหล่านี้ไม่มีประสิทธิภาพเมื่อจัดการฟองที่เกิดจากของแข็งแขวนลอย
• การควบคุม TDS - ต้องหาสมดุลระหว่าง: -ระดับ TDS สูงพร้อมเศรษฐกิจการทำงานที่มาด้วย -ระดับ TDS ต่ำที่ลดการเกิดฟอง
• ความปลอดภัย - อันตรายจากความร้อนสูงเกินไปเนื่องจากตะกรัน และการกัดกร่อนเนื่องจากก๊าซที่ละลาย เข้าใจง่าย ในกรณีรุนแรง การเกิดฟอง ตะกรันและการก่อตัวของตะกอนอาจทำให้ระบบควบคุมระดับน้ำหม้อไอน้ำตรวจจับระดับที่ไม่ถูกต้อง สร้างอันตรายต่อบุคลากรและกระบวนการ

การบำบัดน้ำภายนอก

เป็นที่เห็นพ้องกันทั่วไปว่าหากเป็นไปได้บนหม้อไอน้ำ การบำบัดน้ำเลี้ยงหลักควรอยู่ภายนอกหม้อไอน้ำ

สรุปคุณภาพน้ำที่บำบัดแล้วที่อาจได้จากกระบวนการต่างๆ ตามอุปทานน้ำดิบกระด้างทั่วไป แสดงในตาราง 3.9.2 นี่คือน้ำที่โรงแบำบัดภายนอกต้องจัดการ

กระบวนการบำบัดน้ำภายนอกอาจระบุเป็น:

• ออสโมซิกย้อนกลับ - กระบวนการที่น้ำบริสุทธิ์ถูกบังคับผ่านเมมเบรนกึ่งซึมผ่าน ทิ้งสารละลายเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่ถูกปฏิเสธเป็นของเสีย
• การปรับปูนขาว; การปรับปูนขาว/โซดา - ด้วยการปรับปูนขาว ปูนขาวไฮเดรต (แคลเซียมไฮดรอกไซด์) ทำปฏิกิริยากับแคลเซียมและแมกนีเซียมไบคาร์บอเนตเพื่อก่อตัวตะกอนที่กำจัดได้ ลดความกระด้างด่าง (ชั่วคราว) การปรับปูนขาว/โซดา (โซดาแอช) ลดความกระด้างไม่ใช่ด่าง (ถาวร) โดยปฏิกิริยาเคมี
• การแลกเปลี่ยนไอออน - เป็นวิธีบำบัดน้ำที่ใช้กันอย่างกว้างขวางที่สุดสำหรับหม้อไอน้ำแบบเปลือกที่ผลิตไอน้ำอิ่มตัว มอดูลนี้จะเน้นกระบวนการต่อไปนี้ที่น้ำถูกบำบัด: การแลกเปลี่ยนเบส การลดด่าง และการลดแร่

การแลกเปลี่ยนไอออน

เครื่องแลกเปลี่ยนไอออนเป็นวัสดุที่ไม่ละลายน้ำ ปกติผลิตเป็นลูกปัดเรซินขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 ถึง 1.0 มม. ลูกปัดเรซินมักใช้ในรูปของเตียงบรรจุในภาชนะความดันไฟเบอร์กลาสเสริมแรง ลูกปัดเรซินเป็นรูพรุนและชอบน้ำ นั่นคือดูดซับน้ำ ภายในโครงสร้างลูกปัดมีกลุ่มไอออนคงที่ซึ่งมีไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ที่เคลื่อนที่ได้ของประจุตรงข้าม ไอออนที่เคลื่อนที่ได้เหล่านี้สามารถถูกแทนที่ด้วยไอออนที่มีประจุเดียวกัน จากเกลือที่ละลายน้ำรอบลูกปัด

การปรับนิ่มแบบแลกเปลี่ยนเบส

นี่คือรูปแบบที่เรียบง่ายที่สุดของการแลกเปลี่ยนไอออนและเป็นที่ใช้กันอย่างกว้างขวางที่สุด เตียงเรซินถูกกระตุ้น (ชาร์จ) เริ่มต้นโดยการส่งสารละลายน้ำเกลือ 7 - 12% (โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกง) ผ่าน ซึ่งทิ้งเรซินที่อุดมด้วยไอออนโซเดียม หลังจากนั้น น้ำที่จะทำให้นิ่มถูกสูบผ่านเตียงเรซินและเกิดการแลกเปลี่ยนไอออน ไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมแทนที่ไอออนโซเดียมจากเรซิน ทิ้งน้ำที่ไหลที่อุดมด้วยเกลือโซเดียม เกลือโซเดียมอยู่ในสารละลายที่ความเข้มข้นและอุณหภูมิสูงมากและไม่ก่อตะกรันที่เป็นอันตรายในหม้อไอน้ำ จากรูปที่ 3.10.1 สามารถเห็นได้ว่าไอออนความกระด้างทั้งหมดถูกแลกเปลี่ยนเป็นโซเดียม ด้วยการปรับนิ่มแบบแลกเปลี่ยนเบสโซเดียม ไม่มีการลดระดับ TDS (TDS เป็นส่วนในล้านหรือ ppm) และไม่มีการเปลี่ยนแปลง pH ทั้งหมดที่เกิดขึ้นคือการแลกเปลี่ยนเกลือก่อตะกรันที่อาจเป็นอันตรายกลุ่มหนึ่งเป็นเกลือที่ไม่ก่อตะกรันและเป็นอันตรายน้อยกว่าอีกประเภท เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนแปลงระดับ TDS การหมดอายุของเตียงเรซินไม่สามารถตรวจจับได้โดยการเพิ่มค่าการนำไฟฟ้า (TDS และค่าการนำไฟฟ้าเกี่ยวข้องกัน) การสร้างใหม่จึงถูกกระตุ้นตามเวลาหรือปริมาณการไหลทั้งหมด เครื่องทำน้ำอ่อนค่อนข้างประหยัดในการใช้งานและผลิตน้ำบำบัดอย่างน่าเชื่อถือเป็นเวลาหลายปี สามารถใช้สำเร็จแม้ในพื้นที่ที่มีความกระด้างด่าง (ชั่วคราว) สูง ตราบเท่าที่น้ำควบแน่นส่งกลับอย่างน้อย 50% ที่ซึ่งมีน้ำควบแน่นส่งกลับน้อยหรือไม่มี ประเภทการแลกเปลี่ยนไอออนที่ซับซ้อนกว่าจะดีกว่า บางครั้นใช้การบำบัดปูนขาว/โซดาก่อนการแลกเปลี่ยนเบส ซึ่งลดโหลดบนเรซิน

การลดด่าง

ข้อเสียของการปรับนิ่มแบบแลกเปลี่ยนเบสคือไม่มีการลด TDS และด่าง ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยการกำจัดด่างก่อน และมักทำได้โดยการใช้เครื่องลดด่าง มีเครื่องลดด่างหลายประเภท แต่ประเภทที่พบบ่อยที่สุดแสดงในรูปที่ 3.10.2 เป็นชุดสามหน่วยจริงๆ: เครื่องลดด่าง ตามด้วยเครื่องกำจัดก๊าซและเครื่องทำน้ำอ่อนแบบแลกเปลี่ยนเบส

เครื่องลดด่าง

ระบบที่แสดงในรูปที่ 3.10.3 บางครั้งเรียกว่าการปรับนิ่ม ‘split-stream’ เครื่องลดด่างแทบไม่ได้ใช้โดยไม่มีเครื่องทำน้ำอ่อนแบบแลกเปลี่ยนเบส เนื่องจากสารละลายที่ผลิตเป็นกรดและจะก่อให้เกิดการกัดกร่อน และความกระด้างถาวรใดๆ จะผ่านเข้าหม้อไอน้ำโดยตรง โรงแบำบัดลดด่างจะกำจัดความกระด้างชั่วคราวตามที่แสดงในรูปที่ 3.10.3 ระบบนี้จะใช้ทั่วไปเมื่อต้องใช้น้ำเติมในเปอร์เซ็นต์สูงมาก

การลดแร่

กระบวนการนี้จะกำจัดเกลือเกือบทั้งหมด เกี่ยวข้องกับการส่งน้ำดิบผ่านเรซินแลกเปลี่ยนแคตไอออนและแอนไอออน (รูปที่ 3.10.4) บางครั้งเรซินอาจอยู่ในภาชนะเดียวและเรียกว่า ‘mixed bed’ demineralisation กระบวนการนี้กำจัดแร่ธาตุเกือบทั้งหมดและผลิตน้ำคุณภาพสูงมากที่แทบไม่มีของแข็งที่ละลาย ใช้สำหรับหม้อไอน้ำความดันสูงมาก เช่น ในโรงไฟฟ้า หากน้ำดิบมีของแข็งแขวนลอยจำนวนมาก จะทำให้วัสดุแลกเปลี่ยนไอออนสกปรกอย่างรวดเร็ว เพิ่มค่าใช้จ่ายในการทำงานอย่างมาก ในกรณีเหล่านี้ การบำบัดน้ำดิบเบื้องต้น เช่น การตกตะกอนหรือการกรองอาจจำเป็น

การเลือกโรงแบำบัดน้ำภายนอก

ดูตาราง 3.10.1 อาจคิดว่าควรใช้โรงแบำบัดลดแร่เสมอ อย่างไรก็ตาม แต่ละระบบมีต้นทุนทุนและค่าใช้จ่ายในการเดิน ตามที่ตาราง 3.10.2 แสดง บวกกับความต้องการของโรงงานแต่ละแห่งต้องประเมิน

โรงงานหม้อไอน้ำแบบเปลือก

โดยทั่วไป หม้อไอน้ำแบบเปลือกสามารถทนระดับ TDS ค่อนข้างสูง และต้นทุนทุนและค่าใช้จ่ายในการเดินที่ค่อนข้างต่ำของโรงแบำบัดแลกเปลี่ยนเบส (ดูตาราง 3.10.2) มักจะเป็นตัวเลือกแรก

หากอุปทานน้ำดิบมีค่า TDS สูง และ/หรืออัตราส่งน้ำควบแน่นกลับต่ำ (<40%) มีทางเลือกบางประการที่อาจพิจารณา:

• การบำบัดเบื้องต้นด้วยปูนขาว/โซดาที่จะทำให้ความกระด้างด่างตกตะกอนออกจากสารละลายเป็นแคลเซียมคาร์บอเนตและแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ แล้วระบายจากภาชนะปฏิกิริยา
• โรงแบำบัดลดด่างเพื่อลดระดับ TDS ของน้ำที่จ่ายให้โรงงานหม้อไอน้ำ

โรงงานหม้อไอน้ำท่อน้ำ

โรงงานหม้อไอน้ำท่อน้ำทนระดับ TDS สูงได้น้อยกว่ามาก และน้อยลงอีกเมื่อความดันเพิ่มขึ้น เนื่องจากหลายเหตุผล รวมถึง:

• หม้อไอน้ำท่อน้ำมีพื้นที่ผิวน้ำจำกัดในถังไอน้ำ เมื่อเทียบกับอัตราการระเหย ซึ่งส่งผลให้อัตราการปล่อยไอน้ำต่อหน่วยพื้นที่น้ำสูงมาก และการกระเพื่อม
• หม้อไอน้ำท่อน้ำมักมีกำลังสูงกว่า อาจเกิน 1,000 ตัน/ชม. ของไอน้ำ ซึ่งหมายความว่าแม้เปอร์เซ็นต์การเป่าทิ้งเล็กน้อยอาจเป็นมวลสูงที่ต้องเป่าทิ้ง
• หม้อไอน้ำท่อน้ำมักทำงานที่ความดันสูงกว่า ปกติถึง 150 bar g ยิ่งความดันสูง พลังงานในน้ำเป่าทิ้งยิ่งมาก ความดันสูงยังหมายถึงอุณหภูมิสูง ซึ่งหมายความว่าวัสดุก่อสร้างจะถูกความเค้นทางความร้อนสูงกว่า และทำงานใกล้ขีดจำกัดทางโลหะวิทยามากขึ้น แม้ปริมาณการปนเปื้อนภายในเล็กน้อยที่ขัดขวางการถ่ายเทความร้อนจากท่อไปน้ำอาจทำให้ท่อร้อนเกินไป
• หม้อไอน้ำท่อน้ำมักมี superheater ในตัว ไอน้ำอิ่มตัวแห้งจากถังไอน้ำอาจถูกนำไปยังท่อ superheater ที่อยู่ในพื้นที่อุณหภูมิสูงสุดของเตา การพัดพาน้ำปนเปื้อนใดๆ พร้อมไอน้ำจะเคลือบด้านในของท่อ superheater และขัดขวางการถ่ายเทความร้อนด้วยผลลัพธ์ที่อาจร้ายแรง

ปัจจัยข้างต้นหมายความว่า:

• การบำบัดน้ำคุณภาพสูงจำเป็นสำหรับการทำงานที่ปลอดภัยของโรงงานประเภทนี้
• อาจคุ้มค่าที่จะลงทุนในโรงแบำบัดน้ำที่จะลดอัตราการเป่าทิ้ง ในแต่ละกรณี การเลือกมักจะเป็นโรงแบำบัดลดแร่หรือออสโมซิกย้อนกลับ

สรุป

คุณภาพน้ำดิบเป็นปัจจัยสำคัญอย่างชัดเจนเมื่อเลือกโรงแบำบัดน้ำ แม้ว่าระดับ TDS จะส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของหม้อไอน้ำ ปัญหาอื่นๆ เช่น ค่าด่างรวมหรือปริมาณซิลิกาบางครั้งอาจสำคัญกว่าและครองกระบวนการเลือกอุปกรณ์บำบัดน้ำ