给水箱和给水处理

给水箱和半除氧器的设计、制造和运行的各个方面，包括相关计算。

锅炉给水箱的重要性往往被低估，它是锅炉给水和补给水储存的地方，也是冷凝水回流的地方。锅炉房中的大多数设备都是成对配置的，但很少有两个给水箱，这个关键部件在设计过程中往往是最晚被考虑的。给水箱是冷水补给水和冷凝水回流的主要汇合点。最好将两者以及排污系统的闪蒸蒸汽通过安装在给水箱水面以下足够深度的穿孔管引入。穿孔管必须由不锈钢制成并得到充分支撑。

工作温度

保持给水箱中的水温足够高以最大限度地减少溶解氧和其他气体的含量非常重要。给水箱中水温与其氧含量之间的关系如图3.11.1所示。如果使用高比例的补给水，加热给水可以大大减少除氧化学药剂的需求量。 示例3.11.1 通过加热降低给水中溶解氧相关的成本节约。计算基础：

亚硫酸钠的标准投加率为每1 ppm溶解氧8 ppm。
通常额外添加4 ppm以在锅炉中维持储备量。
典型液体催化亚硫酸钠仅含45%亚硫酸钠。对于本示例计算1 计算2 年成本节约显然加热给水箱需要一定的成本，但由于水温在锅炉内也会以相同的量升高，这不是额外的能源，只是在同一能源在不同地方使用。唯一的实际损失是给水箱本身的额外散热损失。只要给水箱正确保温，这种额外的热损失几乎可以忽略不计。一个重要的额外节约是减少了添加到锅炉给水中的亚硫酸钠用量。这将减少所需的底部排污量，此节约将足以补偿锅炉给水箱的少量额外热损失。 避免对锅炉本身的损害 当冷水引入锅炉壁及其管道的热表面时，锅炉会受到热冲击。较热的给水意味着较小的温差和较小的热冲击风险。 维持设计输出 锅炉给水温度越低，锅炉产生蒸汽所需的热量就越多。保持给水箱温度尽可能高，以维持所需的锅炉输出，这一点非常重要。

锅炉给水泵的汽蚀

注意：非常高的冷凝水回流率（通常超过80%）可能导致过高的给水温度和给水泵汽蚀。如果接近沸点的水进入泵中，它容易在泵叶轮入口的低压区闪蒸为蒸汽。如果发生这种情况，当压力降至水蒸气压力以下时会形成蒸汽气泡。当压力再次升高时，这些气泡将破裂，水以非常高的速度流入由此产生的空腔。这称为”汽蚀”；它会产生噪音并严重损坏泵。为避免此问题，必须向泵提供尽可能好的净正吸入压头（NPSH），使静压尽可能高。通过将给水箱尽可能高地安装在锅炉上方，并充分确定给水泵吸入管路的尺寸（图3.11.2），可以大大有助于解决此问题。

给水箱设计

给水箱（图3.11.3）可以通过多种方式影响整个锅炉房的运行。通过精心设计给水箱和相关系统，可以在能源和水处理化学品方面实现可观的节约，并提高运行可靠性。虽然立式和卧式圆柱形给水箱在世界其他地区并不少见，但在英国最常使用矩形形状。这通常为其占地面积提供最大的储水容积。 给水箱材料：

铸铁 - 铸铁水箱通常由矩形截面组装而成：问题经常出现在截面接头处的泄漏，且容易腐蚀。
碳钢 - 可能是给水箱最常见的建造材料：未涂层时，它是一种相对低成本的材料，但极易腐蚀。通过在表面涂覆适当的涂层可以改善这一弱点，但这方面的成本可能超过水箱本身的成本，特别是涂层也需要定期维护。
塑料 - 由于能够承受相对高温的材料成本高，这种材料通常不适合用作给水箱。然而，塑料是冷补给水箱的合适材料。
奥氏体不锈钢 - 正确制造的此类材料给水箱使用寿命更长，足以证明较高的初始成本是合理的。通常选择304L型作为最合适的不锈钢等级。 给水箱容量 给水箱提供储水储备以应对补给水供给中断。传统做法是拥有足够容量的给水箱，以允许在锅炉最大蒸发量下运行一小时。对于较大的设备这可能不切实际，替代方案可能是较小的”热井”给水箱加上额外的冷水处理水储存。它还应在正常工作水位之上有足够的容量，以适应冷凝水回流速率的任何波动。此容量称为”余隙”。高冷凝水回流率可能在启动时发生，当积存在设备和管路中的冷凝水突然回流到水箱中时，可能通过溢流口损失到排水沟。如果发生这种情况，可能需要审查冷凝水回流系统，以控制回流率并避免浪费。

给水箱制造

以下说明在设计给水箱时可能有用：

加强 - 水箱应全焊接，使用充分的加强措施来加固水箱侧面和顶部，并为底部提供足够的支撑非常重要。未能做到这一点将导致过度弯曲和过早损坏。
管路连接 - 所有法兰管路连接应至少突出150 mm以便于保温。所有螺纹连接应至少突出20 mm。
吊耳 - 必须安装吊耳以便安全轻松地安装。

给水管路

冷凝水回流 随着蒸汽的产生，锅炉内的水蒸发并通过泵送给水进入锅炉来补充。当蒸汽通过系统到达各种用汽设备时，它变回冷凝水，本质上是非常优质的热水。除非可能受到污染（也许是由于工艺原因），否则这种冷凝水是理想的锅炉给水。因此，尽可能多地回收再利用在经济上是合理的。实际上，几乎不可能回收所有冷凝水；有些蒸汽可能已直接注入工艺中，用于加湿和蒸汽注入等应用，并且通常会有来自锅炉本身的水损失，例如通过排污。因此，必须向系统引入补给（经化学处理的）水以维持正确的工作水位。冷凝水回流代表着锅炉房巨大的节能潜力。冷凝水具有高热含量，给水箱温度每升高6°C大约可减少1%的燃料。图3.11.5(a)显示了在锅炉供应10°C冷水给水时10 bar g下蒸汽的形成情况。图底部的部分代表给水中的焓（42 kJ/kg）。还需要在锅炉中向水添加740 kJ/kg的热能才能达到10 bar g下的饱和温度。图3.11.5(b)再次显示了10 bar g下蒸汽的形成，但这次锅炉通过回流更多冷凝水使用70°C的给水。给水中增加的焓意味着锅炉现在只需添加489 kJ/kg的热能即可达到10 bar g下的饱和温度。这代表在此相同压力下产生蒸汽所需的能源节省9.2%。回流的冷凝水实际上是纯水，这不仅节省了水成本，还节省了水处理化学品，从而减少了与排污相关的损失。如果回流的是带压冷凝水，则闪蒸蒸汽将在给水箱中释放。此闪蒸蒸汽需要被冷凝以确保热量和水含量都被回收。传统方法是通过穿孔管将其引入给水箱，但更现代和有效的方法是使用闪蒸冷凝除氧器头，其中冷补给水、冷凝水回流和闪蒸蒸汽在此混合（见图3.11.6）。 来自热回收系统的闪蒸蒸汽 热回收系统可例如从锅炉排污中回收闪蒸蒸汽。这是利用回收热量提高给水箱温度从而节省燃料的另一个机会。与带压冷凝水一样，闪蒸蒸汽需要被冷凝。传统上，这通过穿孔管实现，但更现代且更有效的方法是闪蒸冷凝除氧器头。 补给水 这是来自水处理设备的冷水，用于补充系统中的任何损失。许多水处理设备需要大量的流经流量才能实现最佳性能。例如，由于向给水箱的调节控制导致的”细流”可能对软水器的性能产生不利影响。因此，通常安装一个小型塑料或镀锌钢冷水补给水箱。软水器的流量被”开/关”控制进入补给水箱。从那里，调节阀控制其流入给水箱。这种安装方式带来锅炉设备更”平稳”的运行。为避免相对冷的补给水直接沉到水箱底部（在那里会被直接吸入锅炉给水管路），并确保均匀的温度分布，通常的做法是在较高水位将补给水穿孔引入给水箱。 蒸汽注入 如前所述，保持给水箱内容物在高温下具有显著优势。实现此较高温度的最方便方法之一是向给水箱注入蒸汽。 排气口 给水箱必须有排气口以防止任何压力积聚。作为参考，排气口的尺寸范围从2000升水箱的DN80到30000升水箱的DN250。排气口应安装排气头，其内置挡板可将夹带的水从蒸汽中分离，通过排水连接排出。 溢流口 应安装”U”形管水封以防止闪蒸蒸汽损失。 给水泵取水口 如果从给水箱底部取水，应有50 mm内接管以防止水箱底部的污物进入管路。它应充分确定尺寸以最小化摩擦损失，并最大化给水泵的净正吸入压头（NPSH）。 排污口 应在给水箱底部安装排污连接，以便排空进行检查。保温给水箱应充分保温以防止热损失。在选择正确材料和经济厚度时，应咨询信誉良好的保温专家的建议。 检修孔 应安装足够尺寸的检修孔，以便进行内部检查和安装辅助设备。 水位控制 传统上，浮子控制用于此应用。现代控制使用液位探头，可输出信号调节控制阀。这种系统不仅需要较少的维护，而且通过使用适当的控制器，单个探头可以集成液位报警和远程指示装置。液位探头可以配置为发出高水位、正常工作（或控制）水位和低水位的信号。探头的信号可以连接到冷水补给供给管路上的控制阀。探头在给水箱内安装有保护管，以保护其免受湍流影响，湍流可能导致错误读数。建议在给水箱上安装就地液位指示器或水位计，以便查看内容物进行确认，以及用于调试液位探头。 温度计 可以是就地或远程读取装置。

除氧器

常压除氧器头除氧器头的混合装置汇集所有进入的流量。它将高含氧量的冷补给水与来自冷凝水和排污热回收系统的闪蒸蒸汽混合。氧气和其他气体从冷水中释放，可以在水进入主给水箱之前通过排气口自动排出。除氧器头大大减少了在工作条件下通常预期从水箱中散发的蒸汽量。因此，安装了除氧器头的正确设计的常压除氧器水箱比普通带通风盖的水箱需要更少的排气能力。通常，常压除氧器水箱的排气口尺寸从2000升水箱的DN80到30000升水箱的DN250不等。 加压除氧器 在较大的锅炉设备上，有时会安装加压除氧器，使用活蒸汽将给水加热到约105°C以驱除氧气。加压除氧器通常热效率高，可将溶解氧降低到非常低的水平。加压除氧器：

必须安装控制和安全装置。
属于压力容器分类，需要定期正式检查。这意味着加压除氧器价格昂贵，只在非常大的锅炉房中才合理。如果考虑使用加压除氧器，必须研究其部分负荷性能（或有效调节比）。加压除氧器的详细讨论见本模块第21章。 调理处理 这是补充外部处理（例如碱交换系统）的附加处理，通常通过在给水箱或进入锅炉之前的给水管路中按计量添加化学品来完成。所需的化学处理取决于许多因素，例如：
补给水中固有的杂质及其硬度。
回流再利用的冷凝水量及其pH值、TDS含量和硬度方面的质量。
锅炉的设计及其运行条件。确定化学处理方案和水处理系统的类型是专业水处理专家的事项，应始终咨询。调理处理的目的是在原水经过主水处理设备尽可能多的处理后增强其处理效果。它确保质量，因为不可避免地会有一些杂质找到通过主处理系统的方法。水处理的目标是：
防止由可能逃脱处理的残余低硬度水平形成的水垢。通常使用磷酸钠来实现这一点，使硬度沉淀到锅炉底部，可从那里排污。
处理存在的任何其他特定杂质。这些将是特定应用的特定物质。
维持锅炉水中正确的化学平衡——为防止腐蚀，需要呈碱性而非酸性。通常使用1%苛性溶液达到pH 9至11的目标值。英国标准BS 2486建议壳管式锅炉在10 bar下pH 10.5-12.0，仅在较高压力锅炉中可使用pH 9。
调理任何悬浮物。这将是絮凝剂或混凝剂，使悬浮物聚合并沉降到锅炉底部，可从那里排污。
提供防泡沫保护。
去除溶解气体的痕迹。这些主要是氧气和二氧化碳，这些溶解气体在锅炉设备和系统中的存在会导致腐蚀。因此，如果要防止损坏，有必要去除和/或中和它们。 二氧化碳 溶解的二氧化碳常以碳酸形式存在于给水中，这导致pH值下降。正确的pH控制可以纠正这一点，但二氧化碳也会由于碳酸盐和碳酸氢盐的加热而在锅炉中释放。它们分解为苛性钠并释放二氧化碳。这可能需要通过使用冷凝水缓蚀剂来处理，以防止对冷凝水系统的腐蚀性侵蚀。氧气最有害的溶解气体是氧气，可导致金属点蚀。极少量的氧气就能造成严重损坏。它可以通过机械和化学方式去除。溶解氧的存在量取决于给水温度；给水温度越低，溶解氧的量越大。然后通过添加化学除氧剂（如催化亚硫酸钠）来处理任何残余的氧气。 8 ppm亚硫酸钠足以处理1 ppm溶解氧。然而，通常额外添加4 ppm亚硫酸钠作为”储备量”，因为：
存在腐蚀性损坏的重大危险。
化学品投加系统通常是”开环”的，定期采集水样，并对投加率进行调整。
担心化学品的完全分散，可能是由于注入方法、循环水流或给水箱内的分层原因。因此，总投加率为每1 ppm溶解氧8 ppm亚硫酸钠加4 ppm。其他除氧剂涉及有机化合物或水杨酸。然而，后者被认为具有致癌性，通常不在低压和中压设备中使用。其他为锅炉和冷凝水系统提供保护的”内部处理”可包括：
中和胺 - 这些对二氧化碳溶解在冷凝水中产生的酸具有中和作用。
成膜胺 - 这些在金属表面上形成亲油、疏水的薄膜，对二氧化碳和氧气都具有抗性。关于这一复杂主题的更多细节可从水处理手册和水处理专家处获取；这在很大程度上是专家建议和专业分析的事项。然而，有一两个领域需要进一步解释：
主要的锅炉水处理方案旨在将结垢盐转变为软的或流动的污泥。化学品投加中使用的污泥调节剂防止这些固体沉积在金属表面上并保持其悬浮状态。
在高压和高温下，二氧化硅可能带来真正的问题，因为它可以与金属传热表面结合形成热点。特殊合成聚合物可以防止此问题。
锅炉中的碱度水平特别重要，通过添加氢氧化钠来控制。维持pH 10.5-12的水平将通过为磁铁矿（Fe3O4）在金属表面形成薄而致密的保护膜提供稳定条件来避免腐蚀问题，保护其免受腐蚀性侵蚀。调理处理中添加的化学品将增加锅炉水中的TDS水平，需要更高的排污率。