Odborné informace
ANALYZÁTOR VODY LOOS Dipl.-Ing. Markus Tuffner, LOOS INTERNATIONAL
Moderní úpravny vody a analytické sledování kvality vody pro prùmyslová kotlová zaøízení Pøi kadém pouití, kdy se voda ohøívá na vyšší teploty, se mohou vyskytnout problémy, které jsou zpùsobeny látkami obsaenými ve vodì. Nejèastìjší V dùsledku korozívních látek v napájecí vodì nebo kondenzátu mùe dojít k poškození zásobníku napájecí vody, kotle nebo kondenzátního systému. Tyto škody bývají obvykle dùsledkem k yslíkové koroze nebo koroze kyslièníkem uhlièitým. Kromì toho vedou nìkteré látky obsaené ve vodì k tvorbì neádoucích povlakù a usazenin na výhøevných plochách. Nejznámìjší povlak vzniká v dùsledku tvrdosti vody. Jestlie není tvorba vrstev na výhøevných plochách vèas zjištìna, dochází v dùsledku zhoršeného pøestupu tepla ke sníení úèinnosti kotle. Pokud se vrstvy usazenin dále zesilují, mùe to vést k pøehøátí výhøevných ploch a k následným váným škodám a k explozi kotle. Èasto vznikají také problémy v navazujících technologických procesech v dùsledku zpìnìní a strhávání vodních kapek párou, vyrábìnou z nedostateènì upravené kotelní vody. Vedle zhoršení kvality vody to mùe zèásti dramaticky ovlivnit ivotnost dále pøipojených èástí zaøízení, armatur, potrubí a napojených technologických spotøebièù páry. Z tohoto dùvodu schválil zákonodárce široce pojaté normy, které poadují dodrení pøesnì definované kvality vody. Norma DIN EN 12953-10 udává hodnoty, které se týkají vzhledu, vodivosti, pH, celkové tvrdosti, zjevné alkality, koncentrace eleza, mìdi,
pøíèiny škod pøi provozu kotlù jsou nekvalitní úprava vody a nedostateèné analytické sledování sloení vody.
obsahu køemíku, oleje/tuku, fosfátu a kyslíku. Navíc nesmí voda obsahovat ádné organické látky. V závislosti na výkonu a velikosti kotlového zaøízení se pøi úpravì vody uívají rùzná opatøení. Pouívá se obvykle vstupní surová voda z komunální zásobovací sítì a mimo jiné je pro provoz kotlù upravována níe uvedenými postupy.
1.
Zmìkèení nebo demineralizace
Nejèastìjšími postupy jsou zmìkèení pomocí iontomìnièù a demineralizace reverzní osmózou. U malých zaøízení nebo u zaøízení s vysokou vratností kondenzátu bývá èastìji pouíváno cenovì pøíznivé zmìkèování. U tohoto procesu jsou sloky vody, které zpùsobují tvrdost (hlavnì: Ca- a Mg-ionty), vymìnìny za ionty sodíku. Obsah solí ve vodì zùstává u tohoto procesu témìø konstantní. Mìnièe iontù jsou pak regenerovány solným roztokem (NaCl). Reverzní osmóza je naproti tomu cenovì nároènìjší a z tohoto dùvodu se pouívá pøevánì u zaøízení s vysokým podílem pøídavné surové vody nebo kdy z jiných dùvodù (napø. kvality páry) musí mít kotelní voda velmi nízkou vodivost. V tomto procesu se pouívají
jednosmìrnì prostupné membrány, které na molekulární úrovni pùsobí jako filtr. Jestlie se vodní roztok protlaèuje membránou pod vysokým tlakem (vyšším ne je osmotický tlak), zùstává hlavní podíl solí a jiných látek pøed membránou a èistá voda prochází membránou. V závislosti na velikosti se u procesu osmózy doporuèuje zaøadit pøed nebo za proces osmózy pøídavné zmìkèování. Pøedøazené zmìkèování je provedeno jako výše popsané zaøízení a obvykle se pouívá u menších výkonù. Má-li být procesem osmózy zbaveno solí (demineralizováno) velké mnoství vody, jsou zpravidla pøed vstupem do zaøízení osmózy v závislosti na p r ù t o è n é m m n o s t v í d o vo d y dávkovány chemikálie, je mají zabránit zablokování modulu osmózy látkami, které vyvolávají tvrdost vody. Pøídavné zmìkèovací zaøízení, zaøazené za modul osmózy, musí pak eliminovat zbylé alkalické látky (Ca- a Mg-ionty). Tzv. èásteèná demineralizace, tj. proces mezi zmìkèováním a osmózou, také známý pod názvem dekarbonizace, ustupuje vedle obou døíve uvedených procesù do pozadí. Dekarbonizace pracuje obdobnì jako zmìkèování na principu výmìny iontù. Rovnováha mezi vápnem a kyselinou uhlièitou se posune pøidáním vodíkových (H + ) iontù. Kyslièník uhlièitý, který je vázán v
karbonátových slouèeninách (H2CO3), se tím uvolní. Rozpuštìné ionty vápníku a hoøèíku (nekarbonátová tvrdost) jsou pak v následujícím procesu výmìny iontù zamìnìny za sodíkové ionty. Mìnièe iontù se regenerují kyselinou solnou resp. chloridem sodným (NaCl).
2.
Termické odplynìní
Za zmìkèováním nebo demineralizací je zaøazeno termické odplynìní. V tomto procesu je vyuívána chemicko-fyzikální zákonitost, dle které se rozpustnost plynù v kapalinì sniuje se stoupající teplotou a v bodì varu se rozpustnost blíí nule. Z dùvodu nízkých investièních nákladù bývá u menších zaøízení èasto pouíváno èásteèné odplynìní. V dùsledku nízkých pracovních teplot v rozpìtí mezi 85 °C a 90 °C nemusí být pøi èásteèném odplynìní zásobník napájecí vody konstruován jako tlaková nádoba. Plyny,
které se vyskytují ve vodì v rozpuštìné formì, jsou bìhem ohøevu uvolòovány z upravené pøídavné vody a vratného kondenzátu a jsou vypouštìny ze systému spolu s tzv. brýdovou párou. V dùsledku nastavených pracovních teplot neprobìhne tento proces v plném rozsahu. Ve vodì zùstávají ještì malé koncentrace plynù, zvláštì kyslíku a kyslièníku uhlièitého. Je proto nutné následnì zaøadit dodateènou chemickou úpravu. Pro vìtší zaøízení se z tohoto dùvodu pouívá úplné odplynìní. V tomto procesu se pracuje v teplotní oblasti mezi 100 °C a 110 °C. Na zásobník napájecí vody se v tomto pøípadì instaluje sprchový nebo rozstøikovací odplyòovák, který zvìtšuje povrch pøídavné vody pøicházející z chemické úpravy nebo vratného kondenzátu. Pomocí pøímé injektáe páry se voda v napájecí nádri ohøívá na teplotu varu. Pára, která pøi tom vzniká, ohøívá pøivádìnou vodu a uvolòuje z ní
Rozpustnost kyslíku v èisté vodì v závislosti na teplotì pøi tlaku 1 bar (a) (Zdroj: WABAG-Handbuch Wasser/Manuál o vlastnostech a úpravì vody)
plyny. Ty pak unikají pøes brýdovou clonu v hlavì odplyòováku. Spolu s nimi vdy uniká i urèité mnoství páry jako transportní medium (brýdová pára). Brýdová clona musí být nastavena tak, aby i v nejnepøíznivìjších podmínkách byly odvedeny všechny uvolnìné plyny. Podle údajù z literatury èiní potøebné mnoství brýdové páry a 0,5 % parního výkonu kotle. Zbytky kyslíku a kyslièníku uhlièitého jsou za dobøe fungujícím úplným odplynìním zanedbatelné. Pouze z dùvodù mìøení nebo z bezpeènostních dùvodù je nutné d o d a t e è n ì n e p a t r n ì d á v k o va t chemikálie.
3.
V závislosti na rùzných fyzikálních postupech úpravy vody se musí provádìt vázání zbytkové tvrdosti a zbytkového kyslíku chemickou cestou. Dodateènì je zapotøebí provádìt také alkalizaci (zvýšení hodnoty pH). A dosud se stávalo, e mnoství chemických dávkovacích èinidel bylo velmi èasto silnì nadmìrné. Dùvody pro to spoèívají v zásadì v pøerušovaném dozoru a v empiricky nastaveném dávkování. Pøíèinou pøedávkování látek pro odstranìní zbytkového kyslíku byly chyby v dostupné rentabilní mìøicí metodì pro pøímé mìøení. Z tohoto dùvodu se nestanovil pøímo obsah zbytkového kyslíku, nýbr pøebytek dávkovacího èinidla v kotelní vodì, aby bylo moné alespoò periodicky garantovat nepøítomnost kyslíku. Vedle nadmìrnì zvýšené spotøeby dávkovacích prostøedkù to má také jednu znaènou energetickou nevýhodu. Pøedávkování chemikálií má za následek nìkolikanásobné zvýšení vodivosti (obsahu solí), resp. tím vyvolané odlouèení kalù, které má enormní vliv na energetické ztráty odluhováním nebo odkalováním kotle.
4.
Rozpustnost kyslièníku uhlièitého v èisté vodì v závislosti na teplotì pøi tlaku 1 bar (a) (Zdroj: TÜV Nord)
Dávkování chemikálií
Mìøicí analytické metody
Aby bylo moné zajistit správnou kvalitu kotelní vody, musí být parametry vody kontinuálnì a/nebo periodicky kontrolovány. Napájecí a kotelní voda v parních kotlích a kotelní voda v horkovodních kotlích se musí kontrolovat z hlediska hlavních parametrù (hodnota pH, pøímá vodivost, zjevná alkalita, celková tvrdost a obsah kyslíku). Èetnost tìchto kontrolních rozborù a mìøení musí odpovídat poadavkùm výrobce,
provozovatele a pøíslušných organizací technického dozoru. Zatím se tyto kontroly obvykle provádìjí ruènì (s výjimkou vodivosti), co je nároèné na pracovní èas. Rùzné analýzy vody se musí provádìt v denním rytmu resp., pokud je kotel vybaven pro 72hodinový provoz bez trvalého dozoru nejménì jednou za tøi dny. Aby bylo moné provádìt shora uvedená mìøení, musí být zaøízení vybaveno na reprezentativních místech systému patøiènými odbìry vzorkù. Typická odbìrová místa jsou z nádre napájecí vody, dále kotelní voda z kontinuálního odluhování a pøídavná voda z úpravny vody. Tato místa odbìru vzorku musí být vybavena vhodnými chladièi (chladiè vzorku vody), které zajistí správný a bezpeèný odbìr vzorku vody. Vodivost se mìøí kontinuálnì pomocí mìøicí elektrody vodivosti, zabudované v úrovni horní hladiny vody v kotli. Celková tvrdost, stejnì jako karbonátová tvrdost (p-hodnota) se a dosud zjišuje pomocí titrace s mìrnými roztoky resp. fotometricky vhodnými mìøicími pøístroji. Pøi titraci se do zkoumaného vzorku vody dávkují po kapkách reakèní roztoky tak dlouho, a dojde ke zmìnì barvy vzorku. Na základì mnoství pouitého reakèního roztoku lze zpìtnì vypoèítat zjevnou alkalitu resp. celkovou tvrdost vzorku vody. Fotometrické procesy pracují podobnì, ovšem mìøí se síla zabarvení vzorku po pøidání definovaného mnoství reakèního roztoku. Co a dosud bylo moné zjišovat jen pomocí velmi drahé mìøicí analytické metody, je obsah kyslíku ve vodì.
Speciálnì k tomuto úèelu byly vyvinuty nové mìøicí postupy: Nepøítomnost kyslíku se ji nestanoví pomocí pøebytku chemikálie, která váe kyslík, nýbr se mìøí pøímo obsah O2 v jeho skuteèné výši. Jako mìøicí elektroda se pøi tom pouívá reakèní kapalinou naplnìná sklenìná mikrokapilára, která na základì dovnitø difundovaného kyslíku vyrábí elektrický proud. Tento proud se mìøí, èím se urèí pøesný obsah kyslíku v mìøicím rozsahu od 0,001 - 0,1 mg/l, který je relevantní v kotlové technice. Mìøení tvrdosti probíhá pomocí mìøicí elektrody, která je zaloena na iontovì selektivní polymerové membránì. Tato membrána je prùchodná pouze pro tvrdost vyvolávající ionty Ca a Mg. Na základì mnoství iontù se indukuje napìtí, ze kterého lze stanovit tvrdost vody. V rozmezí mezi 0,0018 - 0,18 mmol/l (tj. 0,01 a 1° tvrdosti nìm. stupnice) mohou být bezpeènì zjištìny všechny odchylky. Hodnota pH v napájecí a kotelní vodì se zjišuje pomocí referenèní pH mìøicí elektrody, která zmìøí ve vodì obsaené pozitivní vodíkové ionty. Také zde se indukuje nepatrné elektrické napìtí, s jeho pomocí lze bezpeènì posoudit hodnotu pH v rozmezí od 7-14. Všechny elektrody jsou vybaveny systémem automatické sebekontroly. V pøedem urèených èasových intervalech se automaticky provádìjí referenèní srovnávací mìøení k surové vodì nebo vùèi kontrolní elektrodì, aby se zajistila
Jejich bezchybná funkce. Rùzné mìøicí elektrody podléhají pøirozenému opotøebení. V závislosti na kvalitì vody musí být elektrody vymìòovány kadých 6 - 12 mìsícù. Náklady na náhradní elektrody odpovídají pøiblinì nákladùm na indikátorové roztoky a zkušební prouky, které jsou nutné pøi ruèních analýzách vody. Veškeré údaje se pøenášejí systémem BUS do nadøazeného øídicího systému kotelny LOOS LSC. Podle vodivosti kotelní vody a vodivosti kondenzátù urèí systém LSC odpovídající parametry napájecí vody. Z toho vyplývají èetné výhody: Omezení škod na kotli a ostatním zaøízení v dùsledku zvýšení bezpeènosti provozu Aby bylo dosaeno správných výsledkù, musí ruèní mìøení provádìt dobøe vyškolený personál. Pøi odbìru rùzných vzorkù nebo pøi zacházení s reakèními roztoky dochází k èetným chybám, které dramaticky ovlivòují výsledky analýz. Naproti tomu, zkoušky provádìné analyzátorem vody LWA probíhají plnì automaticky bez nutnosti jakýchkoliv zásahù obsluhy; v dùsledku toho jsou výsledky mìøení správné a pøesné. Jestlie dojde k pøekroèení stanovených mezních hodnot kvality vody, systém øízení kotle sám zabrání škodám. V závislosti na zpùsobu pøekroèení budou následovat pøedem definované øídící èinnosti. Jestlie napø. hrozí prùnik tvrdosti, je okamitì uzavøen ventil na pøídavné vodì.
Všem bìným mìøicím metodám je spoleèná èasová nároènost a náchylnost k chybám.
5.
Analyzátor vody LOOS LWA
Firmou LOOS INTERNATIONAL novì vyvinutý modul analyzátoru vody LOOS WATER ANALYSER LWA øeší uvedenou problematiku a zajistí ji plnì automaticky kontinuální mìøení a regulaci: ! ! ! !
pH napájecí vody obsahu O2 v napájecí vodì zbytkové tvrdosti v pøídavné vodì pH kotelní vody
Modulární integrace analyzátoru vody LOOS LWA v rámci celého øídicího systému kotových zaøízení LOOS
6.
parametry vody jsou vyhodnocovány pøímými metodami. Znaènì se tak uspoøí dávkovací chemikálie a dále podstatnì sníí ztráty odluhem a odkalem. Mnoství brýdových par z odplyòováku je ve stávajících kotelnách stanoveno na cca 0,5 % jmenovitého výkonu kotle. V dùsledku odcházející brýdové páry vzniká trvalá energetická ztráta. Mìøení obsahu kyslíku umoní cílené øízení ventilu brýdové páry. Uvnitø povolených mezních hodnot obsahu O2 mùe být ventil zcela uzavøen. Teprve tehdy, kdy jsou mezní hodnoty pøekroèeny, tj. kdy je skuteènì zapotøebí vyuít funkce odplynìní, otevírá se ventil brýdové páry a umoní tak vypustit ze systému brýdovou páru obohacenou kyslíkem a kyslièníkem uhlièitým. Docílí se tak znaèné úspory paliva.
Systém hlášení poruch
Všechny pøíslušné parametry se pøi pøekroèení mezní hodnoty pøenášejí do pamìti poruchových hlášení systému LSC. Tak je moné snadnìji zjistit a analyzovat pøíèiny poruch.
7.
Zaznamenávání údajù
Rovnì je moné plynulé protokolování dat. To lze buï v pøedem stanovených inter valech pøenést pomocí PROFIBUSu do nadøazeného systému nebo pøímo na místní tiskárnu nebo na registraèní pøístroj s obrazovkou. Potom lze vypustit ruèní mìøení a vedení zápisù o hodnotách kvality vody do provozní knihy kotle. Následkem toho lze uspoøit na mzdách.
8.
9.
Úloha regulace a øízení
Na základì namìøených údajù o kvalitì vody se provádí regulace rùzných dávkovacích èerpadel. Mùe se zcela upustit od pøedávkování, protoe
Shrnutí pøedností automatického systému provádìní analýz vody pomocí modulu LWA
! Všechny údaje zjištìné kontinuálními a plnì automatizovanými analýzami vody mohou být sbìrnicí pøenášeny
!
!
!
! ! !
na registraèní pøístroj s obrazovkou nebo na tiskárnu, mohou být zobrazeny, vytištìny nebo uloeny do pamìti. Je moné upustit od ruèního vedení záznamù v provozní knize kotle. Dávkování chemikálií pouze v rozsahu, který odpovídá skuteèné spotøebì v závislosti na hodnotì pH a obsahu O2 v napájecí vodì - ádné nákladné pøedávkování se zvýšenými ztrátami odluhem a odkalem. Automatizované hlídání zbytkové t v r d o s t i vo d y z p ø e d ø a z e n é zmìkèovací stanice, která pracuje na základì výmìny iontù. Øízení ventilu brýdové páry v závislosti na obsahu kyslíku v nádri napájecí vody umoòuje vyhnout se zbyteèným energetickým ztrátám. Zvýšení bezpeènosti provozu pomocí analyticky správných výsledkù mìøení. Úspora èasu v dùsledku automaticky provádìných mìøení. Omezení škod, které vznikají na základì nedostateèných parametrù vody.
Pøíklady výpoètù úspor nákladù Úspory nákladù na dávkovací chemikálie
Prostø. pro chemické vázání kyslíku
siøièitan sodný
Podíl úèinné látky
15,8 % celkové váhy
Cena
110 €/25 kg
Pøebytek v kotelní vodì 10-30 mg/l prùmìrnì 20 mg/l
0,02 kg/m3
Prostøedek na zvýšení hodnoty pH
fosforeènan sodný
Podíl úèinné látky
5 % celkové váhy
Cena
75 €/25 kg
Pøebytek v kotelní vodì 5-15 mg/l prùmìrnì 10 mg/l
0,01 kg/m
Zahuštìní
cca 15násobné
Jmenovitý výkon parního kotle
20 t/h
Provozní doba
24 h/den, 220 dnù/rok
3
Úspora siøièitanu sodného (prostøedek na vázání kyslíku): (0,02 kg/m³ / 15) * (100 % / 15,8 %) * 20 m³/h * 24 h/d * 220 dnù/rok * (110 € / 25 kg ) = € 3.921/rok Úspora fosforeènanu sodného (prostøedek na zvýšení hodnoty pH): (0,01 kg/m³ / 15) * (100 % / 5 %) * 20 m³/h * 24 h/d * 220 dnù/rok * (75 € / 25 kg ) = € 4.224/rok Celkem se tedy tímto zpùsobem roènì uspoøí cca 8.150 € na výdajích za dávkovací chemikálie. Úspora na mzdách Èasová nároènost na ruèní provedení analýzy napájecí a kotelní vody: 1h Kadé 3 dny 1 analýza Mzdová sazba: 15 €/h 220 dnù/rok / 3 dny * € 15/h * 1h = € 1.100/rok Celkem se tedy tímto zpùsobem roènì uspoøí cca 1.100 € na mzdových nákladech.
Nedávkují se pøebytky chemikálií. Pøedpokládá se, e pøebytky v kotelní vodì dosahují v bìné praxi hodnoty 0,02 kg/ m³ resp. 0,01 kg/m³. V kotli dochází vlivem neodpaøujících se dávkovacích chemikálií a vlivem látek obsaených v napájecí vodì k cca 15násobnému zahuštìní, které je rovnì uvaováno ve výpoètu. Výpoèet je proveden pro parní kotel o výkonu 20 t/h pøi trvalém provozu (na tøi smìny) s provozní dobou 220 pracovních dnù v roce.
Úspory paliva a vody v dùsledku sníených ztrát odluhem a odkalem Entalpie kotelní vody
746,77 kJ/kg
Entalpie pøídavné vody pøi 10 °C
42 kJ/kg
Cena paliva
0,5 €/l
Hustota topného oleje
0,83 kg/l
Cena vody
2 €/m
Výhøevnost paliva Hu: 11,894 kWh/kg
42.820 kJ/kg
Úèinnost kotle 94 %
0,94
Dosavadní mnoství odluhu
5%
Mno. napájecí vody 20.000 kg/h*1,05
21.000 kg/h
Nové mnoství odluhu v dùsledku sníeného dávkování chemikálií
4%
Mno. napájecí vody 20.000 kg/h*1,04
20.800 kg/h
Jmenovitý výkon parního kotle
20 t/h
Støední provozní tlak
8,2 bar
Provozní doba
24 h/den, 220 dnù/rok
Palivo
lehký topný olej
3
Úspora mnoství vody za jeden rok: (21.000 -20.800) kg/h * 24 h/den * 220 dnù/rok = 1.056.000 kg/rok Zjednodušenì se pøedpokládá, e 1 kg odpovídá 1 l. Proto nebude zohlednìno, e odluhovaná voda musí být také ochlazena na vstupní teplotu do kanalizace, tzn. e ve skuteènosti bude úspora ještì vìtší. Úspora nákladù za vodu: 1.056 m³/rok * 2 €/m³ = 2.112 €/rok Úspora paliva: [1.056.000 kg/rok * (746,77 kJ/kg - 42,00 kJ/kg)] / (42.820 kJ/kg * 0,94) = 18.490 kg/rok Úspora nákladù za topný olej: 18.490 kg/rok / 0,83 kg/l * 0,5 €/l = 11.138 €/rok Celkem se tedy tímto zpùsobem roènì uspoøí cca 13.250 € na nákladech za palivo a vodu.
Dávkovací chemikálie zvyšují elektrickou vodivost vody a tvorbu kalu. Je proto nutné zvýšit odluhování a èastìji provádìt odkalování kotle.
Úspory paliva a vody v dùsledku sníených ztrát energie v brýdových parách Entalpie kotelní vody v bodu varu pøi 0,2 bar
2.683,44 kJ/kg
Entalpie pøídavné vody pøi 10 °C
42 kJ/kg
Cena paliva
0,5 €/l
Hustota topného oleje
0,83 kg/l
Cena vody
2 €/m
Výhøevnost paliva Hu: 11,894 kWh/kg
42.820 kJ/kg
Úèinnost 94 %
0,94
Dosavadní ztráty brýdovou párou
0,5 % výkonu kotle
Nové ztráty brýdovou párou
0,25 % výkonu kotle
Jmenovitý výkon parního kotle
20 t/h
Støední provozní tlak
8,2 bar
Provozní doba
24 h/den, 220 dnù/rok
Palivo
lehký topný olej
3
Úspora mnoství vody za jeden rok: (0,005-0,0025) * 20.00 kg/h * 24 h/d * 220 dnù/rok = = 264.000 kg/rok Úspora nákladù za vodu: 264 m³/a * 2 €/m³ = 528 €/rok Úspora paliva: [264.000 kg/rok * (2683,44 kJ/kg - 42,00 kJ/kg)] / (42.820 kJ/kg * 0,94) = 17.324 kg/rok, Úspora nákladù za topný olej: 17.324 kg/rok / 0,83 kg/l * 0,5 €/l = 10.436 €/rok Celkem se tedy minimalizováním ztrát brýdovou párou roènì uspoøí cca 10.964 € na nákladech za palivo a vodu.
Celkové úspory nákladù v uvedeném pøíkladu a za daných rámcových podmínek: 8.150 € + 1.100 € + 13.250 € + 10.964 € = 33.464 €/rok
