Kiểm soát TDS trong nước lò hơi

Nhu cầu đo lường và kiểm soát tổng chất rắn hòa tan (TDS) trong nước lò hơi và các phương pháp được sử dụng để thực hiện, bao gồm kiểm soát điện tử vòng kín với cảm biến dẫn điện.

Kiểm soát TDS trong nước lò hơi

Khi lò hơi tạo hơi nước, bất kỳ tạp chất nào trong nước cấp lò hơi mà không bay hơi cùng hơi nước sẽ tập trung trong nước lò hơi. Khi các chất rắn hòa tan ngày càng đậm đặc hơn, các bong bóng hơi nước có xu hướng ổn định hơn, không vỡ khi chúng đạt bề mặt nước của lò hơi. Đến một mức độ nhất định (tùy thuộc vào áp suất, kích thước và tải hơi của lò hơi), một phần đáng kể không gian hơi trong lò hơi bị lấp đầy bởi bong bóng và bọt được mang vào đường ống hơi chính. Điều này rõ ràng là không mong muốn không chỉ vì hơi nước quá ướt khi rời khỏi lò hơi, mà còn chứa nước lò hơi với mức chất rắn hòa tan và có thể lơ lửng cao. Các chất rắn này sẽ gây ô nhiễm van điều khiển, bộ trao đổi nhiệt và bẫy hơi. Trong khi bọt có thể do mức chất rắn lơ lửng cao, độ kiềm cao hoặc ô nhiễm bởi dầu mỡ, nguyên nhân phổ biến nhất của hiện tượng mang theo (miễn là các yếu tố khác được kiểm soát đúng) là mức Tổng chất rắn hòa tan (TDS) cao. Kiểm soát cẩn thận mức TDS nước lò hơi cùng với chú ý đến các yếu tố khác sẽ đảm bảo rằng rủi ro tạo bọt và mang theo được giảm thiểu. TDS có thể được biểu thị bằng nhiều đơn vị khác nhau, và Bảng 3.12.1 cho biết một số chuyển đổi gần đúng từ TDS ppm sang các đơn vị khác. Độ Baumé và độ Twaddle (cũng viết là Twaddell) là các thang tỷ trọng kế thay thế.

Lấy mẫu nước lò hơi

TDS nước lò hơi có thể được đo bằng:

• Lấy mẫu và xác định TDS bên ngoài lò hơi, hoặc
• Cảm biến bên trong lò hơi cung cấp tín hiệu cho bộ giám sát bên ngoài. Lấy mẫu để phân tích bên ngoài Khi lấy mẫu nước lò hơi, điều quan trọng là đảm bảo mẫu đại diện. Không khuyến nghị lấy mẫu từ ống thủy hoặc buồng điều khiển ngoài; nước ở đây là ngưng tụ tương đối tinh khiết hình thành do ngưng tụ liên tục của hơi nước trong ống thủy/buồng ngoài. Tương tự, mẫu từ gần đầu vào nước cấp lò hơi có thể cho kết quả sai. Ngày nay, hầu hết nhà chế tạo lò hơi lắp kết nối cho xả TDS, và thường có thể lấy mẫu đại diện từ vị trí này. Nếu nước được lấy đơn giản từ lò hơi, một phần sẽ bốc hơi mạnh thành hơi nước khi áp suất giảm. Điều này không chỉ rất nguy hiểm cho người vận hành, mà bất kỳ phân tích nào cũng sẽ hoàn toàn sai, do mất hơi bốc nhanh làm đậm đặc mẫu. Vì mẫu cần được làm mát để phân tích, bộ làm mát mẫu cũng sẽ tiết kiệm thời gian đáng kể và khuyến khích kiểm tra thường xuyên hơn. Bộ làm mát mẫu là bộ trao đổi nhiệt nhỏ sử dụng nước máy lạnh để làm mát mẫu nước xả.

Phương pháp tỷ trọng tương đối

Tỷ trọng tương đối của nước liên quan đến hàm lượng chất rắn hòa tan. Đối với nước thô, nước cấp và ngưng tụ, tỷ trọng tương đối gần với nước tinh khiết đến mức không thể đo được bằng tỷ trọng kế. Tuy nhiên, đối với nước lò hơi, tỷ trọng kế có thể được sử dụng để đo gần đúng chất rắn hòa tan, vì đối với nước lò hơi, mỗi lần tăng 0,0001 tỷ trọng tương đối ở 15,5°C xấp xỉ bằng 110 ppm. Cần tỷ trọng kế rất nhạy, cần xử lý và sử dụng cẩn thận để đạt phép đo TDS hài lòng. Quy trình thường như sau:

• Lọc mẫu nước lò hơi đã làm mát để loại bỏ chất rắn lơ lửng, nếu không sẽ cho kết quả sai.
• Làm mát đến 15,5°C
• Thêm vài giọt chất hoạt động bề mặt để giúp ngăn bong bóng bám vào tỷ trọng kế.
• Đặt tỷ trọng kế vào mẫu và xoay nhẹ để loại bỏ bong bóng.
• Đọc tỷ trọng tương đối.
• Đọc TDS từ bảng đi kèm tỷ trọng kế hoặc tính TDS ppm bằng Phương trình 3.12.1:

Tỷ trọng kế là thiết bị tinh xảo, dễ bị hư hỏng. Để tránh kết quả sai, phải được kiểm tra thường xuyên với nước cất. Phương pháp dẫn điện Độ dẫn điện của nước cũng phụ thuộc vào loại và lượng chất rắn hòa tan. Vì độ chua và độ kiềm có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn điện, cần trung hòa mẫu nước lò hơi trước khi đo độ dẫn điện. Quy trình như sau:

• Thêm vài giọt dung dịch chỉ thị phenolphthalein vào mẫu đã làm mát (< 25°C).
• Nếu mẫu có tính kiềm, sẽ thu được màu tím đậm.
• Thêm axit axetic (thường 5%) từng giọt để trung hòa mẫu, trộn cho đến khi màu biến mất. TDS ppm sau đó xấp xỉ như trong Phương trình 3.12.2: Hoặc, máy đo dẫn điện bù nhiệt dùng pin như trong Hình 3.12.2 phù hợp sử dụng đến nhiệt độ 45°C.

Đo dẫn điện trong lò hơi

Cần đo độ dẫn điện của nước lò hơi bên trong lò hơi hoặc trên đường xả. Rõ ràng, điều kiện rất khác so với mẫu lấy qua bộ làm mát mẫu, sẽ được làm mát và sau đó trung hòa (pH = 7). Các khía cạnh chính là sự chênh lệch nhiệt độ lớn và pH cao. Nhiệt độ tăng dẫn đến độ dẫn điện tăng. Đối với nước lò hơi, độ dẫn điện tăng ở tốc độ khoảng 2% (giá trị ở 25°C) cho mỗi 1°C tăng nhiệt độ. Điều này có thể viết là: Ví dụ 3.12.3 Mẫu nước lò hơi có độ dẫn điện chưa trung hòa là 5.000 μS/cm ở 25°C. Độ dẫn điện của nước lò hơi ở 10 bar g là bao nhiêu? tốc độ khoảng 2% (giá trị ở 25°C) cho mỗi 1°C tăng nhiệt độ. Điều này có thể viết là: Điều này có nghĩa là ảnh hưởng của nhiệt độ phải được tính đến trong bộ điều khiển xả, either bằng bù nhiệt tự động hoặc bằng cách giả sử áp suất lò hơi (và do đó nhiệt độ) là không đổi. Các biến thể nhỏ trong áp suất lò hơi trong quá trình thay đổi tải chỉ có ảnh hưởng tương đối nhỏ, nhưng nếu cần kết quả TDS chính xác trên lò hơi hoạt động ở phạm vi áp suất rộng thì bù nhiệt tự động là cần thiết. Hằng số ô Đầu dò dùng để đo độ dẫn điện của chất lỏng có ‘hằng số ô’. Giá trị của hằng số này phụ thuộc vào bố cục vật lý của đầu dò và đường dẫn điện qua chất lỏng. Đầu dò càng xa bất kỳ phần nào của lò hơi, hằng số ô càng cao. Bất kỳ sự khác biệt nào trong hằng số ô được tính đến khi ‘hiệu chuẩn’ bộ điều khiển. Đề kháng và điện trở có liên quan với nhau qua hằng số ô, như trong Phương trình 3.12.4:

Trong khi độ dẫn điện nước lò hơi được chuyển đổi thành điện trở qua đầu dò, nó không thể đo được bằng đồng hồ điện trở dc đơn giản. Nếu điện áp dc được đặt vào đầu dò, các bong bóng hydro hoặc oxy nhỏ hình thành trên bề mặt do điện phân nước. Hiệu ứng này, gọi là phân cực điện phân, gây ra điện trở cao hơn nhiều được đo. Do đó, cần sử dụng điện áp ac để đo điện trở đầu dò và đây là phương pháp luôn được ưu tiên trong bộ điều khiển xả. Tần số tương đối cao (ví dụ 1.000 Hz) là cần thiết để tránh phân cực ở độ dẫn điện cao của nước lò hơi.

Quy định mức TDS nước lò hơi cần thiết

Nồng độ chất rắn hòa tan thực tế mà tại đó bọt có thể bắt đầu sẽ khác nhau giữa các lò hơi. Lò hơi vỏ thông thường thường hoạt động với TDS trong khoảng 2.000 ppm cho lò hơi rất nhỏ, và lên đến 3.500 ppm cho lò hơi lớn hơn, với điều kiện:

• Lò hơi hoạt động gần áp suất thiết kế.
• Điều kiện tải hơi không quá khắc nghiệt.
• Các điều kiện nước lò hơi khác được kiểm soát đúng. Xả lò hơi để duy trì các mức TDS này sẽ giúp đảm bảo hơi nước tương đối sạch và khô được cung cấp cho nhà máy. Bảng 3.12.2 cung cấp một số hướng dẫn chung về mức TDS tối đa cho phép của nước lò hơi trong một số loại lò hơi. Trên các mức này, sự cố có thể xảy ra. Lưu ý: Các số liệu trong Bảng 3.12.2 chỉ là hướng dẫn chung. Luôn nên tham khảo nhà chế tạo lò hơi để có khuyến nghị cụ thể. Tính tốc độ xả Cần có thông tin sau:
• TDS nước lò hơi cần thiết tính bằng phần triệu (Bảng 3.12.1).
• TDS nước cấp tính bằng phần triệu. Giá trị trung bình có thể được thu được bằng cách xem xét hồ sơ xử lý nước, hoặc có thể lấy mẫu nước cấp và đo độ dẫn điện. Giống như đo TDS nước lò hơi, độ dẫn điện (μS/cm) x 0,7 = TDS phần triệu (ở 25°C). Lưu ý: mẫu nước cấp cần thiết là từ đường cấp lò hơi hoặc từ bình nước cấp, không phải mẫu nước bổ sung cấp cho bình nước cấp.
• Lượng hơi nước mà lò hơi tạo ra, thường đo bằng kg/h. Để chọn hệ thống xả, con số quan trọng nhất thường là lượng hơi nước tối đa mà lò hơi có thể tạo ra ở tải đầy. Khi có thông tin trên, tốc độ xả cần thiết có thể được xác định bằng Phương trình 3.12.5:

Kiểm soát tốc độ xả Có nhiều cách khác nhau để kiểm soát tốc độ xả. Thiết bị đơn giản nhất là lỗ đo lưu lượng (Hình 3.12.3). Kích thước lỗ có thể được xác định dựa trên:

• Lưu lượng - Phương pháp tính lưu lượng được trình bày ở trên.
• Giảm áp suất - Về mặt lý thuyết, sẽ từ áp suất lò hơi xuống áp suất khí quyển. Tuy nhiên, ma sát đường ống và áp suất ngược là không thể tránh khỏi, vì vậy cho mục đích mô-đun này, giả sử áp suất phía hạ lưu lỗ đo là 0,5 bar g. Có một vấn đề: lỗ đo không thể điều chỉnh và do đó chỉ đúng cho một điều kiện cụ thể. Nếu tốc độ tạo hơi:
• Tăng - Lỗ đo sẽ không đủ nước. Mức TDS lò hơi sẽ tăng, và hiện tượng sục nước và mang theo sẽ xảy ra.
• Giảm - Lỗ đo sẽ quá nhiều nước. Tốc độ xả sẽ quá lớn và năng lượng sẽ bị lãng phí. Bốc hơi nhanh Nước được xả từ lò hơi ở nhiệt độ bão hòa, và có sự giảm áp suất qua lỗ đo gần bằng toàn bộ áp suất lò hơi. Điều này có nghĩa là một phần đáng kể nước sẽ bốc hơi thành hơi nước, tăng thể tích hơn 1.000 lần. Sự thay đổi trạng thái và thể tích nhanh và mạnh qua lỗ đo có thể dẫn đến xói mòn và rò rỉ của lỗ đo. Điều này tăng cả kích thước và đặc tính lưu lượng (hệ số xả) của lỗ đo, dẫn đến tốc độ xả tăng dần. Hơi nước, là khí, có thể di chuyển nhanh hơn nhiều so với nước (chất lỏng). Tuy nhiên, hơi nước và nước không có cơ hội tách đúng cách, dẫn đến các giọt nước di chuyển với tốc độ rất cao cùng hơi nước vào đường ống. Điều này dẫn đến xói mòn thêm và có thể nước va trong đường ống và thiết bị hạ lưu. Vấn đề bốc hơi nhanh tăng theo áp suất lò hơi. Cũng cần nhớ rằng nước được xả từ lò hơi bị bẩn và không cần nhiều bẩn để hạn chế hoặc thậm chí tắc một lỗ nhỏ.

Van xả

Van xả liên tục Ở dạng đơn giản nhất, đây là van kim. Khi nhìn từ trên, có một hình khuyên với:

• Chu vi ngoài được xác định bởi đệm van.
• Chu vi trong được xác định bởi kim. Nếu cần tăng lưu lượng, kim được điều chỉnh ra khỏi đệm và khoảng cách giữa kim và đệm tăng. Để đảm bảo vận tốc hợp lý qua lỗ, kích thước lỗ cần thiết cho lưu lượng xả 1.111 kg/h (từ Ví dụ 3.12.5) sẽ khoảng 3,6 mm. Lấy đường kính đệm van là 10 mm, có thể tính đường kính kim tại điểm đặt để cho dòng chảy 1.111 kg/h, như sau: Do đó: Giải phương trình cho thấy đường kính kim ở vị trí đúng là 9,33 mm. Khoảng cách bằng một nửa hiệu đường kính. Đây là điểm yếu cơ bản của van xả liên tục; khoảng cách quá nhỏ đến mức tắc nghẽn bởi hạt nhỏ là khó tránh khỏi. Ngoài ra, vấn đề bốc hơi nhanh qua đệm van vẫn phải được giải quyết. Khoảng cách thấp có nghĩa là hỗn hợp hơi nước/nước tốc độ cao chảy gần bề mặt kim và đệm. Xói mòn (rò rỉ) là không thể tránh khỏi, dẫn đến hư hỏng và sau đó không đóng kín được. Van xả liên tục đã được phát triển qua nhiều năm từ van kim đơn giản, và bây giờ bao gồm nhiều giai đoạn, có thể dưới dạng ba hoặc bốn đệm lớn dần trong van, và thậm chí bao gồm các đường dẫn xoắn ốc. Mục tiêu là tiêu tán năng lượng dần dần theo giai đoạn thay vì cùng một lúc. Loại van này ban đầu được thiết kế cho vận hành thủ công, và được trang bị thang và kim chỉ gắn trên tay cầm. Trong môi trường vận hành, mẫu nước lò hơi được lấy, TDS được xác định, và điều chỉnh phù hợp được thực hiện cho vị trí van. Để theo kịp công nghệ hiện đại và nhu cầu thị trường, một số van xả liên tục này đã được trang bị bộ truyền động điện hoặc khí nén. Tuy nhiên, vấn đề cơ bản về khoảng cách nhỏ, bốc hơi nhanh và rò rỉ vẫn tồn tại, và hư hỏng đệm van là không thể tránh khỏi. Mặc dù sử dụng hệ thống kiểm soát vòng kín, xả quá mức sẽ xảy ra. Van xả lò hơi bật/tắt ****Có lợi thế khi sử dụng thiết bị điều khiển lớn hơn với khoảng cách lớn hơn, nhưng chỉ mở trong một phần thời gian. Rõ ràng, cần điều tiết nếu TDS lò hơi được giữ ở giá trị hợp lý, và van DN15 và 20 là kích thước phổ biến nhất. Bố cục điển hình sẽ đặt bộ điều khiển để mở van ở, ví dụ, 3.000 ppm, sau đó đóng van ở 3.000 - 10% = 2.700 ppm. Điều này sẽ tạo sự cân bằng tốt giữa van kích thước hợp lý và kiểm soát chính xác.
• Loại van được chọn cũng quan trọng:
• Đối với lò hơi nhỏ với tốc độ xả thấp và áp suất dưới 10 bar g, van điện từ có định mức phù hợp sẽ cung cấp giải pháp hiệu quả về chi phí. Đối với lò hơi lớn hơn với tốc độ xả cao hơn, và chắc chắn trên lò hơi có áp suất vận hành trên 10 bar g, cần van tinh vi hơn để đưa bốc hơi nhanh ra xa đệm van để bảo vệ nó khỏi hư hỏng. Van loại này cũng có thể có hành trình điều chỉnh cho phép người dùng linh hoạt chọn tốc độ xả phù hợp với lò hơi và bất kỳ thiết bị thu hồi nhiệt nào đang được sử dụng.

Hệ thống kiểm soát điện tử vòng kín

Các hệ thống này đo độ dẫn điện nước lò hơi, so sánh với giá trị đặt, và mở van điều khiển xả nếu mức TDS quá cao. Nhiều loại khác nhau trên thị trường sẽ đo độ dẫn điện bên trong lò hơi hoặc trong buồng lấy mẫu ngoài được xả định kỳ để lấy mẫu nước lò hơi đại diện. Việc chọn thực tế sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như loại lò hơi, áp suất lò hơi và lượng nước cần xả. Các hệ thống này được thiết kế để đo độ dẫn điện nước lò hơi bằng đầu dò dẫn điện. Giá trị đo được so sánh với giá trị đặt được lập trình trong bộ điều khiển bởi người dùng. Nếu giá trị đo lớn hơn giá trị đặt, van điều khiển xả được mở cho đến khi đạt giá trị đặt. Thông thường, người dùng cũng có thể điều chỉnh ‘vùng chết’. Như đã đề cập trước đó, nhiệt độ nước tăng dẫn đến độ dẫn điện tăng. Rõ ràng nếu lò hơi hoạt động trong phạm vi nhiệt độ/áp suất rộng, chẳng hạn như khi lò hơi giảm tải ban đêm, hoặc thậm chí lò hơi với dải điều khiển đầu đốt rộng, thì bù là cần thiết, vì độ dẫn điện là yếu tố kiểm soát. Lợi ích của kiểm soát TDS tự động

• Tiết kiệm nhân công nhờ tự động hóa.
• Kiểm soát chặt chẽ hơn mức TDS lò hơi.
• Tiết kiệm tiềm năng từ hệ thống thu hồi nhiệt xả (nếu có lắp). Tính toán tiết kiệm thêm do giảm tốc độ xả được mô tả trong văn bản sau và trong Ví dụ 3.12.6. Khi phương pháp hiện tại chỉ là xả đáy thủ công, có thể bằng cách xem xét hồ sơ xử lý nước trước đây, để có ý tưởng về mức độ biến động TDS lò hơi qua nhiều tuần. Bằng cách quan sát, giá trị TDS trung bình có thể được xác lập. Khi giá trị tối đa thực tế nhỏ hơn giá trị tối đa cho phép, trung bình được hiển thị. Khi giá trị tối đa thực tế vượt quá giá trị tối đa cho phép, giá trị trung bình thu được nên được giảm theo tỷ lệ, vì mong muốn rằng giá trị TDS tối đa cho phép không bao giờ bị vượt quá. Ví dụ 3.12.6 Hình 3.12.8 cho thấy TDS trung bình với xả đáy thủ công được vận hành tốt thấp hơn đáng kể so với mức tối đa cho phép. Ví dụ, TDS tối đa cho phép có thể là 3.500 ppm và TDS trung bình chỉ 2.000 ppm. Điều này có nghĩa là tốc độ xả thực tế lớn hơn nhiều so với cần thiết. Dựa trên TDS nước cấp 200 ppm, tốc độ xả thực tế là: Bằng cách lắp hệ thống kiểm soát TDS tự động, TDS nước lò hơi trung bình có thể được duy trì ở mức gần bằng TDS tối đa cho phép như trong Hình 3.12.9; Đánh giá tiết kiệm bằng cách giảm tốc độ xả Nếu lò hơi cung cấp một lượng hơi nước nhất định, nước xả phải ngoài lượng này. Năng lượng mất trong xả là năng lượng được cung cấp cho lượng nước bổ sung được đun đến nhiệt độ bão hòa, và sau đó xả ra. Gần đúng có thể thu được bằng bảng hơi nước. Sử dụng số liệu từ Ví dụ 3.12.5, nếu lò hơi hoạt động ở 10 bar g, tạo hơi ở 5.000 kg/h và có nhiệt độ nước cấp 80°C (hf = 335 kJ/kg), thay đổi nhu cầu năng lượng có thể được tính như sau: Điều kiện 1, kiểm soát TDS thủ công: Tốc độ xả = 11,1% Ví dụ 3.12.7 Điều kiện 2, kiểm soát TDS tự động: