提高锅炉给水质量，减少锅炉排污损失，提高锅炉热效率_蒸汽节能技术

锅炉排污的意义一方面在于通过底部排污排出炉水中的泥渣，而表面连续排污主要是为了排除随着炉水蒸发而累积的可溶性固体含量。当然，很多小型锅炉会通过底部排污起到兼而有之的作用。
TDS 测量
不同的锅炉，开始发泡时实际的可溶固体浓度也不一样。可溶固体量的测量方法有：化学方法；用比重计精确的测量密度；或用电导仪测量锅炉水的电导率。
相对密度方法
水的相对密度与其溶解固体量有关。对原水、锅炉给水和凝结水，其相对密度与纯水非常接近，用比重计很难获得满意的测量。然而，对锅炉水，则可以用比重计来近似的测量可溶固体量。因为对锅炉水，在 15.5℃ 时，相对密度每增加 0.0001，相当于约 110ppm。需要仔细的使用一个高灵敏度的比重计，以获得满意的 TDS 测量。通常，步骤如下：
将冷却了的锅炉水样过滤，滤去悬浮固体，以免出现错误读数。
冷却至 15.5 °C。
加入几滴湿润剂防止气泡附着在比重计上。
将比重计轻轻的放入水样中，小心的转动以去掉气泡。
读出相对密度值。
按下面的公式计算 TDS ppm：
TDS = (15.5°C 时的相对密度 - 1) x 1.1 x 106
或由表中直接读出 TDS 值。
电导率方法

比重计是一种精密仪器，容易被损坏，因而为了获得准确的读数，必须定期用蒸馏水进行检验。
同时，比重计也是一种相对更老式的方法，而电导率方法更简单，同时可以准确的测量电导率。
使用一个带温度补偿的电导仪就可以简单快速的获得水样的 TDS。
图中所示的电导仪适用温度达 45℃。因此可以用于测量冷却的锅炉水样的电导率。

电导测试仪

TDS 值的其它表示方法
下表给出了 TDS 的转换方法：
Baume 度和 Twaddle 度是比重计的刻度。
总可溶固体量 25 oC 时典型电导率 S/cm 相对密度 15.5 oC Baume 度 Twaddle 度
Ppm 中性非中性
600 857 1200 1.0005 0.079 0.109
800 1143 1600 1.0007 0.105 0.145
1000 1429 2000 1.0009 0.132 0.182
1200 1714 2400 1.0011 0.158 0.218
1400 2000 2800 1.0013 0.184 0.255
1600 2286 3200 1.0015 0.221 0.291
1800 2571 3600 1.0016 0.237 0.327
2000 2857 4000 1.0018 0.263 0.364
2200 3143 4400 1.002 0.289 0.4
2400 3428 4800 1.0022 0.316 0.436
2600 3714 5200 1.0023 0.342 0.473
2800 4000 5600 1.0025 0.368 0.509
3000 4286 6000 1.0027 0.394 0.545
3200 4571 6400 1.0029 0.421 0.582
3400 4857 6800 1.0031 0.447 0.618
3600 5143 7200 1.0033 0.473 0.655
3800 5428 7600 1.0035 0.499 0.691
4000 5714 8000 1.0037 0.525 0.727
4200 6000 8400 1.0038 0.552 0.764
4400 6285 8800 1.004 0.578 0.8
4600 6571 9200 1.0042 0.604 0.836
4800 6857 9600 1.0044 0.63 0.873
5000 7143 10000 1.0046 0.656 0.909
5200 7428 10400 1.0048 0.682 0.945
5400 7714 10800 1.005 0.708 0.982
5600 8000 11200 1.0052 0.734 1.018
5800 8285 11600 1.0053 0.761 1.055
6000 8571 12000 1.0055 0.787 1.091
TDS 单位的转换

决定锅炉水 TDS 值
瓦特节能的“锅炉给水处理手册”指出传统的火管锅炉，TDS 的正常工作范围在 2,000 ppm（很小型的锅炉）至 3,500 ppm（大锅炉）。只要锅炉运行在近设计压力下，蒸汽负荷不是特别严厉，锅炉水的状态控制正确，则通过锅炉排污来维持 TDS 值将确保向用汽设备供应理想的清洁干燥的蒸汽。
随着锅炉不断的产生蒸汽，锅炉中的可溶固体越来越浓，蒸汽汽泡变得更稳定，当其到达锅炉水面时不会破裂。根据锅炉的压力、大小和蒸汽负荷的不同，存在这样的一个点，此时锅炉内一定的蒸汽空间充满汽泡，造成泡沫被携带进入主蒸汽管。
显然这是很糟的情形，不仅离开锅炉的蒸汽过湿，而且蒸汽中携带的锅炉水含有很高浓度的可溶固体和悬浮固体，将污染控制阀、换热器和蒸汽疏水阀。

锅炉中杂质堆积
尽管发泡的原因可能是悬浮固体过高、碱性过大或由于油脂的污染，但最常见的原因则是可溶固体含量过高（只要其它因素被正确控制）。因此正确控制锅炉水的 TDS 值及其它的发泡因素将能确保发泡和携带的危险减至最小。
不同的锅炉出现发泡时的实际 TDS 值也不同。

下表提供了一个不同锅炉的最大允许 TDS 的指导值。超过这些值，就可能会出现问题。

锅炉型号最大允许 TDS (ppm)
兰开夏锅炉 10,000
双路回火管锅炉 4,500
三路回火管锅炉 3,000 - 3,500
低压水管锅炉 2,000 - 3,000
中压水管锅炉 1,500
盘管锅炉和蒸汽发生器 2,000
对不同锅炉的 TDS 值，请与锅炉制造商联系。
锅炉的典型 TDS 值

计算排污量
瓦特节能的“锅炉给水处理手册”给出了需要下述信息来计算排污量：
锅炉水需要的 TDS 值 ppm 。
给水的 TDS 值 ppm。从水处理记录或从给水水样中测量电导率可以获得一个平均值。
对锅炉水的 TDS 值，电导率 (S/cm) x 0.7 = TDS ppm ( 25°C)。
注意：从锅炉给水管或从给水槽中取样，不能从补给水中取样。
锅炉的蒸发量通常以 kg/h 度量。在选择排污系统时，最重要的一个参数就是锅炉满负荷时的最大蒸发量。
在已知上述信息后，就可以计算排污量（Blowdown Rate)：

其中
F = 给水的 TDS ppm
B = 锅炉需要的 TDS ppm
S = 锅炉蒸发量 kg/h。
排污量的单位为 kg/h。
举例
一台蒸发量为 10,000 kg/h 的锅炉，工作压力 10 bar g，锅炉最大允许的 TDS 为 2500 ppm。
锅炉给水 TDS = 250 ppm

= 1111 kg/h.
锅炉水取样
锅炉水取样并测量其 TDS 值的方法如下所述：
从锅炉中取样时，最重要的是确保水样的代表性。通常不推荐从水位仪或外部控制室中取样，因为这里面的水相对比较纯净，蒸汽不断的在外部控制室中冷凝。同样，从靠近锅炉给水的接口处取样也可能会给出错误的读数。
现在，绝大多数的锅炉制造商都安装了 TDS 排污的接口－－这样，就可以从此处获得水样。
取样器
如果锅炉水简单的从锅炉中取出，由于压力下降，一部分水将闪蒸为二次蒸汽。这样取样是危险的，同时，也给随后的分析带来错误，因为存在二次蒸汽的损失。因此，需要冷的水样来进行分析。同时取样器可以节省时间从而可以多次测量。事实上，一个取样器就是一个小的换热器，使用冷却水来冷却锅炉水。

瓦特锅炉水专用取样器

使用电导率方法决定锅炉 TDS 值
瓦特节能的“锅炉给水处理手册”指出水的电导率取决于水中溶解固体的类型和数量。由于酸碱对电导率有很大的影响，因而在测量水样的电导率前必须中和水样。
向冷却的水样（<25°C）中滴入几滴酚酞试剂。
如果水样为碱性，则水样将呈紫色。
逐滴加入醋酸 ( 5%) 来中和水样，直至紫色消失。
则 TDS ppm 可近似获得：
TDS (ppm) = ( 电导率 S/cm) x 0.7
注意：该关系仅适用于中性水样，温度为 25°C。

自动 TDS 控制
锅炉中 TDS 的值可以通过人工或自动控制。后者更常见。
自动 TDS 控制的优点有：
劳力的节约。
锅炉 TDS 值的良好控制。
排污回收系统（如安装）的能量节约。
下面将详细的描述排污量减少可获得的节约：
如果现有的排污是从锅炉底部进行手动排污，则可以从过去的水处理记录中获得锅炉一周内 TDS 变化的信息。这样，可以获得一个 TDS 的平均值。其中，实际 TDS 的最大值小于允许的最大值。如果实际 TDS 的最大值高于最大允许值，则 TDS 平均值必须向下浮动，因为 TDS 最大允许值不应被超过。
下图显示的 TDS 平均值是一个手动底排污系统。当最大允许 TDS 值为 3000ppm 时，平均 TDS 值仅为 2000ppm。这样，实际排污量远大于需要的排污量。

计算排污量
平均 TDS  ＝ 2,000 ppm
给水 TDS   ＝ 3,00 ppm
排污量   ＝ 300 x 100% / (2,000 – 300)
  ＝ 17.6%
手动系统
安装自动 TDS 控制系统，锅炉水的平均 TDS 值可维持在几乎与最大允许 TDS 值相等，如下所示。
锅炉水的平均 TDS 值提高了。
通过计算，可以简单的得到由于排污浪费的燃料。

计算排污量
平均 TDS   ＝2,900 ppm
给水 TDS   ＝300 ppm
排污量   ＝ 300 x 100% / (2,900 – 300)
  ＝ 11.5%
瓦特节能的“锅炉给水处理手册”指出每节约 1% 的排污，燃料的节约百分数如下：
锅炉压力 % 节约燃料
bar g 每 1% 排污节约
7 0.19%
10 0.21%
17 0.25%
25 0.28%
减少排污节约的燃料

控制排污量
控制锅炉排污量的方法有很多，但首先必须考虑的是我们确切的目标。事实上，我们希望作两件事：
控制流量
一旦我们已经计算出锅炉所需的排污量，则我们必须提供一种控制流量的方法。
已知排污量的大小。
已知锅炉压力。
在正常情况下，设备下游的压力小于 0.5 bar g。
使用这些参数，就可以计算用于完成这项工作的孔板大小。然而，我们选择的控制设备还必须处理另一个问题。

图 22 孔板
控制压降
从锅炉中排出的水温度为饱和温度，而通过孔板的压降接近于锅炉中的压力，这也就意味着将有相对一部分的水闪蒸为二次蒸汽，而其容积将增大 1000 倍。
蒸汽的运动速度比水快，由于没有足够的时间来分离蒸汽和水，水滴将被迫随蒸汽高速运动，对孔板造成冲蚀－－通常被称为拉丝。其结果是孔板变大，更多的水被排出，能量被浪费。
压力越高，二次蒸汽的问题越明显。这也是将普通阀座的阀压降限制在 10 bar g 以内的一个原因。
同时必须记住，从锅炉中排出的水是很脏的，可能会堵塞小的孔板。一个解决的方法是采用更大孔的阀但开的时间短。
同时，孔板是不能调节的，因此只能用于某一特定的设备。当蒸发量增大时，孔板将不能排出足够的污水，引起锅炉中 TDS 值的增大，造成汽水共腾和携带。相应的，当蒸汽量下降，排污量就过大，造成能量的损失。
锅炉内电导率测量
对自动排污控制系统，必须从锅炉中或排污管中测量锅炉水的电导率。显然，与从取样器中获得后冷却并中和（ pH= 7）的水相比，此时的情况是不同的。主要的影响在于高温和高 pH 值。
温度的增大将引起电导率的增大。对锅炉水，温度每升高 1℃，电导率增大约 2％（相对于 25℃）。这可表示为：
T = 25 [1 +  (T - 25)]
其中：
T = 电导率，温度 T， S/cm
25 = 电导率，温度 25℃，S/cm
 = 温度系数，( 0.02/°C 或 2%/°C〕
T = 温度， °C
一锅炉水样在温度 25℃，非中性时，电导率为 5,000 S/cm。则在 10 bar g 压力饱和温度时的电导率是多少？
   饱和温度  = 184°C
  T  = 5,000 (1 + 0.02 (184 - 25))
    = 20,900 S/cm
这表明，在排污控制器中必须考虑温度的影响－－采用自动温度补偿或假定压力为常数。锅炉压力小的波动对 TDS 的影响不大，但当锅炉运行压力范围变化很大时，为了获得准确的 TDS 值，必须采用自动温度补偿。

电导率与电阻的转换
电解常数
为了测量液体的电导率，需要使用感应器，它有一个电解常数。电解常数的值由感应器的物理涂层和液体的导电回路决定。
电导率和电阻的关系可由电解常数表示如下：

其中： R = 电阻 Ohm
K = 电解常数 ( cm-1)
 = 电导率 S/cm
感应器探头伸入锅炉的长度越长，电解常数越大。在校准控制器时，必须考虑电解常数的不同。
在前例中，锅炉水的电导率为 20,900 S/cm。在电解常数为 0.3 时，控制器测量的电阻为多少？

电阻 R = 14.4 Ohm
锅炉水的电导率通过感应器转换为电阻，但并不能用一个简单的直流电阻计测量。如果感应器电源为直流电源，由于水的电解，在感应器表面会形成微小的氢或氧的气泡。这被称为电解极化，会使测量的电阻值偏高。
因此必须使用交流电源来测量感应器的电阻。这也是应用在排污控制器的方法。为了避免在锅炉水的电导率高时出现极化现象，需要使用相对高的频率（如 1000Hz）。

从锅炉排污中回收热量
注意：1 kJ/s = 1 kW。
排污中的能量
使用第 33 页的例子，我们可以计算排污中的能量。
锅炉压力    = 10 bar g.
锅炉蒸发量   = 10,000 kg/h.
锅炉最大允许 TDS = 2500 ppm
给水 TDS    = 250 ppm
计算出的排污量   = 1111 kg/h
为了获得用 kW 表示的能量，需要：
排污量 kg/s = 1,111 / 3,600 = 0.31 kg/s
显热能 hf* 在压力为 10 bar g 时 = 782 kJ/kg
排污能量      = 0.31 kg/s x 782 kJ/kg = 241 kW
这些能量如果用于欧洲西北部的室内加热，其室内中央加热系统的平均能耗为 13KW。因此，排污的能量可以加热 19 个房屋。
需要指明的是，上述计算并未考虑到给水温度可能大于 0℃。假定给水温度为 10℃，则排污能量为 225KW。
二次蒸汽
从锅炉中排出的污水温度为接近锅炉压力下的饱和温度。如果假定锅炉压力为 10 bar g，则温度为 184℃。显然在大气中不可能存在 184℃ 的水。因此在排污水中含有过量的热能。根据自然界中能量守恒的法则，能量既不能产生，也不会消灭，而只能从一种形式转变为另一种形成。因此，这部分能量必须转换为其它形式的能量。
从蒸汽表中，我们可以定量这部分能量：
水在 10 bar g 时的显热 = 782 kJ/kg (hf @ 10 bar g)
水在 0.5 bar g 时的显热 = 468 kJ/kg (hf @ 0.5 bar g)
过剩能量 = 314 kJ/kg
因为这部分能量不能存在于水中，它将成为新的压力下蒸发潜热的一部分，使一部分的水闪蒸为二次蒸汽。
*hf 是水在饱和温度下的显热，可从蒸汽表中查出。
二次蒸汽的量可以由公式简单的计算，或者由图表中读数。
从蒸汽表中查出，0.5 bar g 时蒸汽的潜热 (hfg) 为 2226 kJ/kg。

换而言之，当压力从 10 bar g 降至 0.5 bar g 时，将有 14.1% 的排污水转变为二次蒸汽。
现在，有两个选择：
将二次蒸汽由排污罐直排大气，能量浪费，同时也浪费了二次蒸汽冷凝时的水。
控制二次蒸汽，利用能量，回收二次蒸汽凝结后的水。
知道二次蒸汽中的能量有多少是很有用的。这可以由蒸汽表中获得：
二次蒸汽量 = 1111 kg/h x 14.1%
= 157 kg/h (0.0435 kg/s)
蒸汽能量 = 2694 kJ/kg (hg @ 0.5 bar g)
二次蒸汽中总能量 = 0.0435 kg/s x 2694 kJ/kg
= 117 kW
将这部分能量与排污总能量 241 kW 相比。
如果我们回收这部分二次蒸汽，则意味着回收约 49％的排污能量。
需要指明的是，上述计算并未考虑到给水温度可能大于 0℃。假定给水温度为 10℃，则排污能量为 115KW。

如何回收和利用二次蒸汽

回收二次蒸汽的途径是用闪蒸罐。本质上，闪蒸罐只是提供了这样一个容器，热水和二次蒸汽在其中实现低速分离并被分别送入不同的设备。
闪蒸罐的设计不仅必须考虑蒸汽和水的分离，同时在结构上也必须按压力容器的标准来设计，如 BS5500 标准。
这是设计的标准，同时锅炉监察机构通常会坚持要求压力容器的标准。
二次蒸汽的最佳使用场所是锅炉给水槽。这样既便于操作，又可以很好的利用热量和水。
然而，工程师们必须考虑给水槽的温度。显然，如果回热系统造成给水槽温度过高，则将二次蒸汽送入给水槽是不可行的。此时必须考虑其它方案。
下图是一个回热系统安装草图，最大可回收 117KW 的能量。

二次蒸汽回收系统

需要的设备
闪蒸罐
生产厂商应有闪蒸罐的选型表。但无论如何，闪蒸罐顶部的蒸汽速度不能超过 3 m/s。
蒸汽疏水阀，用于闪蒸罐疏水
浮球疏水阀最理想，因为它可在残余污水一到达疏水阀时就排出。
记住闪蒸罐在低压下工作，只有很少或没有能量来提升凝结水，必须通过重力来排水。
也因此，疏水阀口径相当大。其优点是疏水阀不容易被污水中的杂质堵塞。有些用户喜欢在疏水阀前安装过滤器，此时过滤器的滤帽应安装一个排污阀以简化维修。
破真空器
有时锅炉不需要排污。此时闪蒸罐中的蒸汽将冷凝并形成真空。如果真空不被破坏，则锅炉给水槽中的水将被吸入管路。而当锅炉重新开始排污时，这部分水将沿着管路被高速推动，从而造成水锤。
还有一个可能是虹吸。当闪蒸罐和管路中出现真空时，可能会从给水槽中吸水并由浮球疏水阀排出。
蒸汽分配器
在水中适当的分布蒸汽。

使用换热器回收热量
冷却残余污水
我们已经看到，锅炉排污中约 49％的能量能够用闪蒸罐及相应设备来回收。然而，在残余排污中的能量也可以回收。
例如，如果闪蒸罐工作压力为 0.5 bar g，则通过疏水阀后的残余污水的温度为 112℃。显然，在将污水排入地沟前还可以回收更多的热量。一个能被接受的方法是将污水通过一个换热器来加热补充水。这样，残余污水的温度可以冷却至 20℃ 左右。
继续看前例，总的排污量为 1111 kg/h，其中 157 kg/h 闪蒸为二次蒸汽，还有 954 kg/h 的污水通过换热器。 0.5 bar g 时的饱和水的能量为 468 kJ/kg，而 20°C 的水能量为 84 kJ/kg。因此有 384 kJ/kg 的能量可用来加热补充水。
下图即为一种典型的布置。

用换热器回收热量
设计考虑
上图所示的这种布置的问题是：补充水和闪蒸罐污水的瞬时流量难以保证。
因此一个更好的方案如下图所示。锅炉冷水槽用来储存经水处理的水。一个恒温器来控制一个小循环水泵，当残余污水温度高时，水泵将冷水泵入换热器进行换热。
我们已经知道这样可以回收的能量为 384 kJ/kg，考虑到残余排污量为 954 kg/h，则能量 KW 为：

除了这部分回热外，我们已经从二次蒸汽中回收了 117KW 的能量，两者相加，我们从总能量 241KW 中回收了 219KW 的能量，即总能量的 91％。

带冷水槽的回热系统
换热器
板式换热器因其结构紧凑及易于维修而适用于此。
经验表明，板式换热器中高流速和紊流有助于保持换热器的清洁，因而维修量很少。如需清洗，则只需打开换热器清洗板即可。
清洗管壳式则需要将之整个拆解。通常管路本身无法拆开清洗。

底排污
悬浮固体
当锅炉水搅动时，悬浮固体将保持悬浮状态。但一旦停止搅动，它们将沉淀在锅炉底部。如不清除，将逐渐积聚，随着时间的推移，会阻碍锅炉火管的传热，造成过热甚至停机。对此，各机构推荐的排除淤泥的最佳方法都是在锅炉底部，使用一个大口径的阀，短时快速的排放。
因此，每小时一次 3 秒的排污比仅在 1 小时中 12 次每次 3 秒而其它时间不排污更好。

底部排污阀
可以想象，一个大口径的阀突然打开，紧随其后的是锅炉压力。大量的能量和作用力将被释放。
对多锅炉组，底部排污必须互锁，以防止在同一时间有多个锅炉排污－－因为这将导致排污罐超负荷。这可以简单的用定时器来完成。

排污罐
与排污坑相比，排污罐是一个更好的选择。

排污罐安装
制造标准
由于排污罐属于压力容器，因此需要检验用的设备，如检验门和排污口。
设计温度和压力
排污罐的设计压力为锅炉最大工作压力的至少 25％。设计温度至少为排污罐设计压力下的饱和温度。
尺寸
由锅炉压力和排污管口径来决定。但排空管必须足够大，以保证排污罐内的压力不超过 0.35 bar g，同时，溢流水温不超过 43℃。
操作
排污罐中应有一定量的留存水，水量应至少为排污量的两倍。排污罐约有一半的容积被留存水占据，余下的为空气空间。
排空
排空口应保证二次蒸汽安全的排出，并且在排空口无太多的携带水。排空管应尽可能垂直，并在末端安装一个排气帽。
压力表接口
虽然没有要求必须安装压力表，但排污罐必须有安装压力表的接口。在功能测试时这个接口是必要的。同时，排污罐是按压力容器的标准制造的，因此必须定期检验，检验员将要求作压力测试，此时，必须有一个压力表接口。
冷却系统
如果排污罐中热水的温度较高而导致出口水温超过了许可限制温度，则应安装冷却系统。最佳选择是安装一套自作用温度控制系统，温度设定在 30℃。当温度超过设定值时，温控阀开，冷水进入排污罐。
传统的排污罐采用切向入口。然而，这会使排污罐的入口点成为一个结构上的弱点。
更好的选择是径向布置排污管，并在排污罐内安装一个扩散器。这样还可以减少可能发生在切向口处的冲蚀。

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