锅炉水中的TDS控制

测量和控制锅炉水中总溶解固体（TDS）的必要性以及所使用的方法，包括使用电导率传感器的闭环电子控制。

锅炉水中的TDS控制

当锅炉产生蒸汽时，锅炉给水中任何不随蒸汽蒸发的杂质将在锅炉水中浓缩。 随着溶解固体浓度越来越高，蒸汽气泡趋于更加稳定，在到达锅炉水面时不会破裂。到达某一点时（取决于锅炉压力、尺寸和蒸汽负荷），锅炉蒸汽空间的很大部分被气泡填满，泡沫被夹带进入蒸汽主管。 这显然是不可取的，不仅因为蒸汽离开锅炉时过于潮湿，而且它含有高浓度溶解固体和可能悬浮固体的锅炉水。这些固体将污染控制阀、换热器和蒸汽疏水阀。 虽然发泡可能由高浓度悬浮固体、高碱度或油脂污染引起，但最常见的夹带原因（在这些其他因素得到适当控制的前提下）是高总溶解固体（TDS）水平。仔细控制锅炉水TDS水平并注意这些其他因素，应能确保将发泡和夹带的风险降至最低。 TDS可以用多种不同的单位表示，表3.12.1给出了TDS（ppm）到其他单位的一些近似换算。 波美度和特沃德尔度是替代的比重计刻度。

锅炉水取样

锅炉水TDS可以通过以下方式测量：

• 取样并在锅炉外部测定TDS，或
• 在锅炉内部安装传感器向外部监测器发送信号。 外部分析取样 取锅炉水样时，确保其具有代表性非常重要。不建议从水位计或外部控制腔体取样；此处的水是由于蒸汽在外部玻璃管/腔体中持续凝结形成的相对纯净的冷凝水。同样，从靠近锅炉给水入口连接处取样可能给出错误的读数。 如今，大多数锅炉制造商安装了TDS排污连接，通常可以从这个位置获得具有代表性的样品。 如果只是简单地从锅炉取水，当压力降低时，一部分水会剧烈闪蒸为蒸汽。这不仅对操作员有潜在危险，而且由于闪蒸蒸汽的损失浓缩了样品，任何后续分析也将完全错误。 由于分析需要冷却的样品，取样冷却器还将节省大量时间并鼓励更频繁的测试。 取样冷却器是一个小型换热器，使用冷自来水管水冷却排污水样品。

相对密度法

水的相对密度与其溶解固体含量有关。对于原水、给水和冷凝水，相对密度非常接近纯水，无法使用比重计满意地测量。然而，对于锅炉水，可以使用比重计来获得溶解固体的近似测量值，因为在15.5°C时，每增加0.000 1相对密度大约等于110 ppm。需要非常灵敏的比重计，如果要获得满意的TDS测量值，需要小心操作和使用。操作步骤通常如下：

• 过滤冷却的锅炉水样品以去除任何悬浮固体，否则会给出错误的读数。
• 冷却至15.5°C。
• 加几滴润湿剂以帮助防止气泡附着在比重计上。
• 将比重计放入样品中并轻轻旋转以去除气泡。
• 读取相对密度。
• 从比重计附带的表格中读取TDS，或使用公式3.12.1计算TDS（ppm）：

比重计是一种精密仪器，容易损坏。为避免获得错误的读数，应定期用蒸馏水校验。 电导率法 水的电导率也取决于所含溶解固体的类型和数量。由于酸度和碱度对电导率有很大影响，因此在测量电导率之前需要中和锅炉水样品。步骤如下：

• 向冷却的样品（< 25°C）中加几滴酚酞指示剂溶液。
• 如果样品呈碱性，会获得深紫色。
• 逐滴加入醋酸（通常5%）以中和样品，搅拌直至颜色消失。 TDS（ppm）大约如公式3.12.2所示： 或者，如图3.12.2所示的电池供电、带温度补偿的电导率计适用于最高45°C的温度。

锅炉内的电导率测量

需要在锅炉内部或排污管线中测量锅炉水的电导率。显然，条件与通过取样冷却器获得的样品大不相同，后者会被冷却并随后中和（pH = 7）。主要方面是巨大的温差和高pH值。 温度升高导致电导率升高。对于锅炉水，电导率大约以每升高1°C约2%（25°C时数值的百分比）的速率增加。可以写为： 示例3.12.3 一个锅炉水样品在25°C时的未中和电导率为5 000 μS/cm。在10 bar g下锅炉水的电导率是多少？ 这意味着温度的影响必须在排污控制器中加以考虑，可以通过自动温度补偿，或假设锅炉压力（因而温度）恒定。锅炉压力在负荷变化期间的微小变化只产生相对较小的影响，但如果在压力变化范围很大的锅炉上需要准确的TDS读数，则自动温度补偿是必不可少的。 电极常数 用于测量液体电导率的探头具有”电极常数”。该常数的值取决于探头的物理布局和通过液体的电路径。 探头尖端距离锅炉任何部分越远，电极常数越高。在”校准”控制器时，电极常数的任何差异都会被考虑在内。 电导率和电阻通过电极常数相关联，如公式3.12.4所示：

虽然锅炉水电导率通过探头转换为电阻，但不能使用简单的直流电阻计来测量。如果对探头施加直流电压，由于水的电解作用，表面上会形成微小的氢或氧气泡。这种称为电解极化的效应会导致测量到更高的电阻。 因此，需要使用交流电压来测量探头电阻，这始终是排污控制器中首选的方法。需要相对较高的频率（例如1 000 Hz）以避免在锅炉水的高电导率下发生极化。

确定所需的锅炉水TDS

可能开始发泡的实际溶解固体浓度因锅炉而异。传统锅壳式锅炉通常在TDS为2 000 ppm（小型锅炉）至3 500 ppm（较大型锅炉）范围内运行，前提是：

• 锅炉在其设计压力附近运行。
• 蒸汽负荷条件不太严苛。
• 其他锅炉水条件得到正确控制。 对锅炉进行排污以维持这些TDS水平应有助于确保向工厂输送相当清洁和干燥的蒸汽。 表3.12.2提供了某些类型锅炉中锅炉水TDS最大允许水平的一些广泛指导。超过这些水平，可能会出现问题。 注意：表3.12.2中的数字仅作为广泛指导。应始终咨询锅炉制造商以获取具体建议。 计算排污速率 需要以下信息：
• 所需的锅炉水TDS（百万分之几）（表3.12.1）。
• 给水TDS（百万分之几）。 可以通过查看水处理记录获得平均值，或者可以获取给水样品并测量其电导率。 与锅炉水TDS测量一样，电导率（μS/cm）x 0.7 = TDS（百万分之几）（在25°C时）。 注意：所需的给水样品来自锅炉给水管线或给水箱，而不是供给给水箱的补水样品。
• 锅炉产生的蒸汽量，通常以kg/h测量。对于选择排污系统，最重要的数字通常是锅炉在满负荷下可以产生的最大蒸汽量。 当上述信息可用时，可以使用公式3.12.5确定所需的排污速率：

控制排污速率 有许多不同的方式可以控制排污速率。最简单的装置是孔板（图3.12.3）。 孔板尺寸可以基于以下确定：

• 流量 - 上面显示了计算流量的方法。
• 压降 - 理论上，这是从锅炉压力到大气压。 然而，管路摩擦和背压是不可避免的，因此出于本模块的目的，假设孔板下游侧的压力为0.5 bar g。 有一个问题：孔板不可调，因此只能在一组特定条件下正确工作。如果蒸发速率：
• 增加 - 孔板将无法通过足够的水量。锅炉TDS水平将升高，汽水共腾和夹带将会发生。
• 降低 - 孔板将通过过多的水量。排污速率将过大，能量将被浪费。 闪蒸 从锅炉排出的水处于饱和温度，在孔板上的压降几乎等于整个锅炉压力。这意味着相当大比例的水将闪蒸为蒸汽，体积增加超过1 000倍。 孔板上这种快速而剧烈的状态和体积变化可能导致孔板的冲蚀和拉丝。这增加了孔板的尺寸和流量特性（排放系数），导致排污速率逐渐增加。 蒸汽作为气体，比水（液体）移动速度快得多。然而，蒸汽和水没有机会适当分离，这导致水滴以非常高的速度随蒸汽进入管路。这导致进一步的冲蚀，并可能在管路和下游设备中产生水锤。 闪蒸问题随锅炉压力增加而加剧。 还应记住，从锅炉排出的水是脏的，很少量的污垢就能限制甚至堵塞小孔。

排污阀

连续排污阀 最简单的形式是针形阀。在平面图中，有一个环形区域，其中：

• 外圆周由阀座界定。
• 内圆周由针阀界定。 如果需要增加流量，将针阀调出阀座，针阀与阀座之间的间隙增大。 为确保孔口处的合理流速，1 111 kg/h排污流量（来自示例3.12.5）所需的孔口尺寸约为3.6 mm。 取阀座直径为10 mm，可以计算针阀在设定为提供所需1 111 kg/h流量时该点的直径，如下所示： 因此：解方程表明，正确设定时针阀直径为9.33 mm。间隙为直径差的一半。 这是连续排污阀的一个根本弱点；间隙如此之小，小颗粒的堵塞难以避免。 此外，阀座上闪蒸的问题仍需解决。低间隙意味着高速蒸汽/水混合物在针阀和阀座表面附近流动。冲蚀（拉丝）是不可避免的，导致损坏和随后的关断失效。 连续排污阀经过多年的开发，从简单的针形阀发展到现在包含多个级段，可能采用三到四个逐渐增大的阀座形式，甚至包括螺旋通道。目的是逐步分阶段消散能量，而不是一次全部消散。 这种阀门最初设计为手动操作，带有安装在手柄上的刻度和指针。在运行环境中，取锅炉水样品，测定TDS，并对阀门位置进行适当调整。 为了跟上现代技术和市场需求，其中一些连续排污阀已安装了电动或气动执行器。然而，小间隙、闪蒸和拉丝的根本问题仍然存在，阀座损坏是不可避免的。尽管使用闭环控制系统，仍会发生过度排污。 开/关锅炉排污阀 使用具有较大间隙的较大控制装置但只在部分时间打开是有优势的。显然，如果要将锅炉TDS保持在合理值之间，需要适度，DN15和DN20是最常见的阀门尺寸。 典型的布置是将控制器设定为在例如3 000 ppm时打开阀门，然后在3 000 - 10% = 2 700 ppm时关闭阀门。这将在合理大小的阀门和精确控制之间取得良好平衡。
• 所选阀门的类型也很重要：
• 对于排污速率较低、压力低于10 bar g的小型锅炉，适当额定的电磁阀将提供经济有效的解决方案。 对于具有较高排污速率的较大型锅炉，特别是工作压力超过10 bar g的锅炉，需要更复杂的阀门将闪蒸远离阀座，以保护其免受损坏。 此类阀门可能还具有可调行程，允许用户灵活选择适合锅炉和正在使用的任何热回收设备的排污速率。

闭环电子控制系统

这些系统测量锅炉水电导率，将其与设定值进行比较，如果TDS水平过高则打开排污控制阀。 市场上有多种不同类型，可在锅炉内部或在定期吹扫以获得代表性锅炉水样品的外部取样腔体中测量电导率。实际选择将取决于锅炉类型、锅炉压力和需要排污的水量等因素。 这些系统设计用于使用电导率探头测量锅炉水电导率。 测量值与用户编程到控制器中的设定值进行比较。如果测量值大于设定值，排污控制阀将打开直到达到设定值。通常，用户还可以调整”死区”。 如前所述，水温升高导致电导率升高。显然，如果锅炉在较宽的温度/压力范围内运行，例如锅炉处于夜间降负荷运行，或者甚至锅炉具有较宽的燃烧器控制范围，则需要进行补偿，因为电导率是控制因素。 自动TDS控制的优势

• 自动化的节省劳动力优势。
• 更精确地控制锅炉TDS水平。
• 排污热回收系统的潜在节省（如果已安装）。 由于降低排污速率而产生的进一步节省的计算在以下文本和示例3.12.6中描述。 当目前的方法仅为手动底部排污时，可以通过查看过去的水处理记录，了解锅炉TDS在几周内的变化情况。通过检查，可以确定平均TDS数值。当实际最大值小于最大允许值时，平均值如图所示。当实际最大值超过最大允许值时，获得的平均值应按比例缩小，因为最大允许TDS数值不应被超过。 示例3.12.6 图3.12.8显示，运行良好的手动底部排污的平均TDS明显低于最大允许值。例如，最大允许TDS可能为3 500 ppm，而平均TDS仅为2 000 ppm。这意味着实际排污速率远大于所需。基于给水TDS为200 ppm，实际排污速率为： 通过安装自动TDS控制系统，平均锅炉水TDS可以维持在几乎等于最大允许TDS的水平，如图3.12.9所示； 通过降低排污速率评估节省 如果锅炉要供应一定量的蒸汽，排污的水量必须在此数量之外。排污损失的能量是供给额外水量（被加热到饱和温度然后排污）的能量。 可以使用蒸汽表获得近似值。 使用示例3.12.5的数值，如果锅炉在10 bar g下运行，蒸发速率为5 000 kg/h，给水温度为80°C（hf = 335 kJ/kg），能量需求的变化可以计算如下： 工况1，手动TDS控制：排污速率 = 11.1% 示例3.12.7 工况2，自动TDS控制：