Úprava vody

Správná úprava vody je jedním z nejdůležitějších základních předpokladů pro bezpečný a dlouholetý provoz parního kotlového zařízení. Vlastnosti vody pro parní kotlová zařízení proto podléhají přísným požadavkům.

Pojmy používané v parních kotlových zařízeních a jejich synonyma pro různé toky vody jsou krátce vysvětleny níže.

Pojem	Vysvětlení
Čerstvá voda (surová voda)	Neupravená voda, která je odebírána z následujících zdrojů: z veřejné vodovodní sítě (městská voda) z vlastní studně z pramene Tato voda je přiváděna do zařízení k doplnění a nahrazení ztrát vody a obvykle vstupuje s teplotou okolo 10 °C.
Změkčená voda (měkká voda, změkčená voda)	Voda, u které jsou z vody odváděny pomocí měniče iontů ionty vápníku (Ca²⁺) a hořčíku (Mg²⁺).
Částečně demineralizovaná voda (permeát nebo demineralizovaná voda)	Voda, která neobsahuje již téměř žádné soli. Tato voda má vodivost < 50 µS/cm a většinou je získávána ze změkčené vody reverzní osmózou.
Plně demineralizovaná voda (demivoda, deionizovaná v.)	Voda, která již neobsahuje žádné soli. Tato voda má vodivost < 1 µS/cm většinou je získávána kombinací měničů anionů a kationů.
Přídavná voda	Změkčená, částečně nebo plně demineralizovaná voda, která je přiváděna do nádrže napájecí vody k odplynění.
Kondenzát bez kyslíku (vysokotlaký kondenzát)	Kondenzát, který se sbírá v uzavřených nádobách při tlacích > 0,2 bar.
Napájecí voda	Změkčená, odplyněná a chemicky upravená voda, která je do kotle přiváděna přes napájecí čerpadla.

Pojmy pro různé toky/ proudy vody a jejich vysvětlení

Chyby v úpravě vody, analytice k úpravě vody a nedostatečné hlídání kvality vody jsou nejčastějšími příčinami provozních poruch nebo dokonce škod na parním kotlovém zařízení.

Z tohoto důvodu byla na evropské úrovni přijata rozsáhlá norma, která vyžaduje dodržování přesně definovaných kvalit vody pro napájecí a kotlovou vodu.

Odborná zpráva: Moderní úprava a analýza vody

Díky těmto požadavkům na napájecí vodu přiváděnou do parních kotlů a na kotlovou vodu, jsou redukovány následující příčiny škod a chyb, nebo jim je dokonce zabraňováno:

koroze
usazeniny na straně vody
pěnivost kotlové vody
tvorba kalu

Aby byly požadované hodnoty vody dodrženy a tak bylo zabráněno škodám z důvodu zvýšené koncentrace problematických obsahových látek ve vodě, musí být čerstvá voda upravována.

K tomu jsou v závislosti na výkonu kotlového zařízení, míře kondenzátu a obsažených látkách v čerstvé vodě, která je k dispozici, používána různá opatření úpravy vody, aby byla voda upravena pro nasazení v kotlovém provozu.

Následující zobrazení nám poskytuje přehled obsažených látek v čerstvé vodě nebo kondenzátu, nebezpečí pro parní kotel a parní kotlová zařízení, která z nich vyplývají, opatření, která musí být přijata v oblasti úpravy vody.

Obsahové látky čerstvé vody a kondenzátu

Základem pro dimenzování zařízení úpravny vody by měla vždy být detailní analýza kvality čerstvé vody.

Zbavení vody železa a hořčíku

Při zbavování vody železa a hořčíku jsou ionty železa (II) (Fe²⁺) a manganu (II)-Ionen (Mn²⁺) ve vodě nejprve zoxidovány na hodnotnější ionty. Oxidace může probíhat kyslíkem (O₂), jinými oxidujícími chemikáliemi jako manganistanem draselným (KMnO₄) katalýzou. Vznikající produkty mohou být následně odfiltrovány přes filtrační granulát.

Změkčování

Mezi látkami rozpuštěnými ve vodě je pro provoz kotlového zařízení obzvláště škodlivá tvrdost. Pod tvrdost jsou zahrnovány zejména ionty vápníku a hořčíku (Ca²⁺; Mg²⁺) Když se v napájecí vodě nachází tyto takzvané kovy alkalických zemin, mohou se při ohřevu v kotli vylučovat a tvoří pak kotlový kámen, který se usazuje jako povlak na teplosměnných plochách.

Pokud není tvorba vrstev a povlaků včas rozpoznána, dochází zabraňováním přechodu tepla ke zhoršení účinnosti. Pokud tloušťka vrstvy dále narůstá, může to vést k přehřívání teplosměnných ploch a k následným těžkým škodám až k totálnímu poškození kotle.

Aby se těmto škodám zabránilo, musí být tvrdost z vody odstraňována.

Tvorba povlaku v kotli se škodami na plamenci

Funkční princip iontoměničů

Iontová výměna je nejčastěji používaný postup ke změkčování vody. Přitom jsou látky tvořící tvrdost, vápník a hořčík, vyměňovány za neškodný sodík. Iontová výměna je jednoduchý a efektivní proces ke změkčování vody, při němž vznikají pouze malé náklady na spotřebu speciální regenerační soli.

Funkční princip iontového měniče ke změkčování vody

Provozní stav A: Změkčování vody

Při změkčování vody výměnou iontů probíhá chemická rovnovážná reakce. Na iontoměničové pryskyřici v tlakové nádobě ulpívají ionty sodíku. Jakmile proudí voda s obsahem vápníku zařízením na změkčování vody, naváží se ionty vápníku a hořčíku obsažené v čerstvé vodě na pryskyřičný měnič iontů. Ten výměnou vyloučí ionty sodíku.

Provozní stav B: Začátek regenerace

Pryskyřičný měnič iontů tak dlouho pojímá nové látky způsobující tvrdost, dokud není nasycený. Pak musí být pryskyřičný měnič iontů regenerován. K tomu je třeba speciální změkčovací sůl, která se ve vodě rozpustí na solanku.

Při regeneraci se pryskyřičný měnič iontů proplachuje solankou. Přebytkem sodíku v solance pryskyřice opět odevzdá ionty vápníku a hořčíku a pojme ionty sodíku.

Provozní stav C: Konec regenerace

Protože na sebe pryskyřice váže převážně ionty vápníku a hořčíku, není ji možno kompletně regenerovat. Proto se doporučuje používat pouze změkčovadla vody s takzvaným úsporným solením.

Provozní stav D: Opakovaný začátek změkčování vody

Jakmile je proces regenerace ukončen, propláchne se iontoměnič vodou a je připraven pro další cyklus změkčování vody.

U větších zařízení na změkčování vody se doporučuje použít dvojitá zařízení. U nich je pak možný střídavý provoz.

Přitom pak může jeden iontoměnič produkovat změkčenou vodu, zatímco v druhém probíhá regenerace. Tak může být zaručena stálá disponibilita změkčené vody.

Schematické a obrazové znázornění dvojitého zařízení na změkčování vody

	Provozní stav A: iontoměnič je regenerován v protiproudu
	Provozní stav B: iontoměnič v provozu
	Přepínací armatura: znázornění s aktuálním prouděním
	Změkčená přídavná voda
	Čerstvá (surová) voda
	Zásobník na regenerační roztok
	Odpadní voda

Demineralizace

V kotli se voda odpařuje bez solí, které jsou v ní rozpuštěny, takže koncentrace solí ve zbylé kotlové vodě stoupá. Aby nedocházelo k překračování přípustné koncentrace soli, musí se kontinuálně „odsolovat“, resp. demineralizovat, přičemž vznikají ztráty energie a vody.

Aby se míra demineralizace snížila, je zejména u nižší míry kondenzátu < 50 % a vysoké vodivosti v čerstvé vodě smysluplná demineralizace čerstvé vody. Demineralizace je přitom zařazena po změkčování. Jako nejběžnější postup zde musíme jmenovat reverzní osmózu.

Výpočet množství odluhu

Množství odluhu lze vypočítat na základě naměřené vodivosti v napájecí vodě nebo za pomoci parametrů přídavné vody a množství kondenzátu (kondenzát zpravidla obsahuje zanedbatelně malou vodivost) následovně:

Vedle vodivosti mohou množství odluhu určovat i další parametry vody jako obsah kyseliny křemičité SiO₂ nebo (karbonátová) tvrdost s limitní hodnotou Ks 8,2. Přitom je pro velikost odluhu rozhodující vždy nejvyšší vypočtená hodnota.

Tyto parametry mohou být vypočteny analogicky jako výše uvedený vzorec pro vodivost:

	Jednotka	Vodivost	SiO₂	Ks 8,2
Množství páry	[kg/h]	10 000	10 000	10 000
Množství odluhu (na množství páry)¹⁾	[%]	3,27	2,56	3,00
Podíl kondenzátu c	[%]	50	50	50
Podíl čerstvé vody	[%]	50	50	50
Hodnota v čerstvé vodě	[µS/cm]	380	7,5 [mg/l]	0,7 [mmol/l]
Limitní hodnota kotlové vody	[µS/cm]	6 000	150 [mg/l]	12 [mmol/l]
Hodnota v napájecí vodě	[µS/cm]	190	3,75	0,35
Množství odluhu	[kg/h]	327	256	300
Množství napájecí vody	[kg/h]	10 327	10 256	10 300

Výpočet množství odluhu
1) Míra odluhu vyplývá z nejvyšší hodnoty. V tomto případě z vodivosti 3,27 %.

Reverzní osmóza

Princip reverzní osmózy spočívá v tom, že difuzní odpor pórů používané oddělovací membrány pro menší molekuly vody je podstatně menší, než odpor pórů větších iontů rozpuštěných ve vodě. Pokud je systém v rovnováze, je tlak na straně koncentrátu (retentátu) vyšší než na straně čisté vody (permeátu.) To se označuje také jako osmotický tlak a je viditelný jako výškový rozdíl.

Technické využití k demineralizaci vody probíhá za pomoci umělých membrán, přičemž přirozený průběh osmózy je obracen zvýšením tlaku na straně koncentrátu.Tím se téměř úplně zadržují rozpuštěné soli, ale i organické látky.

Znázornění osmotického tlaku (A) reverzní osmózy tlakovým zatížením na straně kondenzátu (B) a procesu kontinuální reverzní osmózy (C)

	Znázornění osmotického tlaku			Retentát
	Reverzní osmóza zvýšením tlaku na straně koncentrátu			Semipermeabilní (částečně propustná) membrána
	Kontinuální proces reverzní osmózy			Nosná vrstva
	Čerstvá voda			Permeát

Postup separace	Filtrace sítem	Jemná filtrace	Filtrace částic	Mikro filtrace	Ultra filtrace (UF)	Nano filtrace (NF)	Reverzní osmóza (RO)
Hranice separace	> 500 µm	5 ... 500 µm	1 ... 10 µm	0,1 ... 1 µm	0,01 ... 0,1 µm	0,001 ... 0,01 µm	< 0,001 µm
Oddělitelné látky	zrnka, písek, vlákna	větší částice, řasy	malé částice, zárodky, bakterie, viry	nejmenší částice, zárodky, bakterie, viry	viry a molekulární substance	nízkomolekulární substance a huminové látky	ionty
Procesy ve vodě	sítování, cyklóny, sedimentace, čeření	tkaninové a látkové filtry	vícevrstvé rychlofiltry a membránová filtrace	vícevrstvé pomalé filtry a membránová filtrace	membránová filtrace (UF)	membránová filtrace (NF)	everzní osmóza (RO)
Technika

Obecný přehled separačních hranic a separačních postupů v úpravě vody

Upravená vyčištěná voda je kontinuálně k dispozici a vzniklý koncentrát může být bez další úpravy odveden do kanalizace.

Předpokladem pro nasazení zařízení reverzní osmózy je předřazené změkčování vody. Stejně tak musí být voda čistá a bez rozpustných cizích látek, zejména bez organických znečištění, aby bylo zabráněno zanesení membrán.

Změkčená voda je tlakem < 40 barů odváděna do modulů vybavených membránou. Vyčištěná voda a minimální podíl malých iontů soli difundují membránou a tvoří permeát (latinsky: permeare = proniknout), který je k dispozici jako částečně odsolená voda. Podíl permeátu nasazené vody činí 80 ... 95 %. Zbytek (5 ... 20 %) původního množství vody je koncentrát bohatý na sůl, také nazývaný retentát (latinsky: retinere = zadržet), který se likviduje.

Proces reverzní osmózy probíhá v kontinuálními provozu zařízení téměř bez nasazení chemikálií a je zadržováno zhruba 98 % solí, takže je v permeátu vodivost menší než 15 μS/cm. Správná funkce zařízení je přitom monitorována přes měření vodivosti v permeátu.

Aby bylo možno zařízení reverzní osmózy dimenzovat co možná nejmenší, je smysluplný sběrný zásobník permeátu. Z toho pak probíhá doplňování vody do odplyňováku zásobníku napájecí vody.

Schematické znázornění úpravy vody reverzní osmózou se zásobníkem na permeát

Filtr	Bypass	Čerpadlo permeátu
Vysokotlaké čerpadlo	Monitoring vodivosti (QIA+)
Moduly reverzní osmózy	Zásobník na permeát

Plná demineralizace

Demineralizace vody s vodivostí < 0,2 μS/cm je dosaženo úplnou iontovou výměnou s mezizařazeným skrápěním CO₂, když za výměníkem aniontů je přídavně instalován ještě směsný ionexový filtr. V tomto filtru jsou nakombinovány kationty a anionty. Pro optimalizaci plné demineralizace a redukované spotřeby regeneračních prostředků jsou krokům úpravy vody přídavně předřazeny slabě kyselé a slabě zásadité měniče aniontů před silně kyselými, resp. silně zásaditými měniči. Plně demineralizovaná voda je také označována jako demi-voda.

Termické odplynění

Díky korozivním složkám v napájecí vodě nebo kondenzátu mohou zásobníky napájecí vody, kotle, ekonomizéry nebo potrubí utrpět škody. Ty jsou převážně způsobovány korozí kyslíkem nebo kyselinou uhličitou.

Koroze kyslíkem vede přitom k částečným dírám ve tvaru jizev v základním materiálu. Koroze se zažírá stále hlouběji do materiálu. Vykazuje typický obraz poškození „vyžraných děr“.

Poškození korozí kyslíkem v kotli a na potrubích

Vnější projev koroze kyselinou uhličitou (koroze CO₂), je naproti tomu téměř vždy relativně rovnoměrný, plošný úbytek materiálu.

Termické odplynění je nejlépe vhodný postup k tomu, aby byly koncentrace kyslíku a oxidu uhličitého v napájecí vodě trvale udržovány pod škodlivou mírou. Přitom se využívá klesající rozpustnosti plynů ve vodě při stoupající teplotě. Tak tato rozpustnost při 100 °C klesá téměř k nule.

Hodnoty se vztahují k rovnováze rozpustnosti. Aby bylo dosaženo skutečného odplynění, musí být umožněna intenzivní výměna mezi plyny rozpuštěnými ve vodě a parním prostorem zásobníku napájecí vody, což se děje v kaskádových nebo tryskových odplyňovácích. Vytváří se zde velká hranice skupenství, aby pak bylo dosaženo rychlého transportu látky do plynného skupenství. Dále je nutná určitá doba setrvání vody v zásobníku, aby došlo k dokonalému odplynění.

Rozpustnost kyslíku a oxidu uhličitého ve vodě

Oxid uhličitý (CO₂)

Kyslík (O₂)

Zobrazení modulu úpravy vody skládajícího se z nádrže napájecí vody s kaskádovým odplyňovákem, modulů napájecích čerpadel, expandéru, dávkovacích zásobníků a příslušného rozvaděče

Čerstvá voda nebo kondenzát s obsahem kyslíku jsou nahoře odváděny do odplyňovacího dómu a buď tryskami, nebo kaskádově skrápěcími plechy jsou jemně rozprašovány. Ohřev na teplotu varu probíhá prostřednictvím topné páry, která proudí odplyňovákem v opačném směru nahoru. Plyny, které se uvolní ohřevem, jsou odvedeny společně s nezbytnými brýdovými párami na vrcholku odplyňovacího dómu.

Velkou část tepla z brýdových par je možno nasazením tepelného výměníku brýdových par (VC) přenést do přídavné vody a toto teplo tak zůstane v parním zařízení zachováno.

Brýdové páry - více informací

Výrobky: Chladič brýdových par VC

Úplné odplynění

Při provozním tlaku 0,1 ... 0,3 barů a tak při teplotách přes 100 °C může být spolehlivě dodržován obsah kyslíku ve vodě maximálně 0,02 mg O₂/l a obsah CO₂ maximálně 1 mg CO₂/l takže se mluví o úplném odplynění.

Chemické prostředky vážící kyslík jsou zde nasazovány pouze v malé míře, aby zajišťovaly, že v napájecí vodě nebude přítomen žádný zbytkový kyslík.

	Tryskový odplyňovák	Kaskádový odplyňovák
Výška prostoru	++ velmi kompaktní	– Odplyňovací dóm formou nástavce směrem nahoru
Investiční náklady	+ trochu nižší	– trochu vyšší
Provozní podmínky se liší v závislosti na podmínkách navrhování / dimenzování (tok kondenzátu)	– dílčí výkon téměř není možný	++ velmi dobré chování při dílčím výkonu
Nasazení plynulé regulace přídavné vody¹⁾	– Dílčí výkon téměř není možný	++ velmi dobré chování při dílčím výkonu

Porovnání tryskových a kaskádových odplyňováků
1) Doporučeno ke zpětnému získávní tepla s přídavnou vodou

Schéma potrubí a zařízení k plnému odplynění s kaskádovým odplyňovákem

LIC

převodník měření hladiny

PIC

převodník měření tlaku

Přídavná voda	Ohřívací pára	Pojistný ventil
Brýdová pára	Napájecí voda	Ochrana proti vakuu
Kondenzát s obsahem kyslíku	Vypouštění	Kaskádový odplyňovák
Kondenzát bez obsahu kyslíku	Dávkování	Regulační ventil ohřívací páry

Schéma potrubí a zařízení k plnému odplynění s tryskovým odplyňovákem

LIC

převodník měření hladiny

PIC

převodník měření tlaku

Přídavná voda	Ohřívací pára	Pojistný ventil
Brýdová pára	Napájecí voda	Vakuový ventil (otevírající přívod vzduchu do kondenzátoru)
Kondenzát s obsahem kyslík	Vypouštění	Tryskový odplyňovák
Kondenzát bez obsahu kyslíku	Dávkování	Regulační ventil ohřívací páry

Částečné odplynění

Pokud odplynění probíhá pouze při zhruba 90 °C, mluví se o částečném odplynění, neboť zbytek vázaných plynů ještě může zůstávat ve vodě. Zde je pak nezbytné zvýšené nasazení chemických prostředků vážících kyslík, aby byl chemicky navázán především zbytkový kyslík a nemohl tak způsobovat korozi v kotli a ve zbytku parního kotlového zařízení.

Zásobování napájecí vodou – částečné odplynění

LI

ukazatel hladiny

LIC

regulátor hladiny

TIC

regulátor teploty

Potrubí ohřívací páry	Dávkování chemikálií	Řídící systém
Přívodní potrubí kondenzátu	Odtokové potrubí a přepad	Zásobník napájecí vody
Potrubí brýdové páry	Přepouštění od regul. ventilu napájecí vody
Přídavná voda	Potrubí napájecí vody

Chemické dávkování

Aby bylo možné spolehlivě zajišťovat a monitorovat požadovanou kvalitu vody, musí být vlastnosti napájecí a kotlové vody přídavně vylepšovány ošetřením chemikáliemi.

Toto chemické dávkování podporuje zajišťování následujících bodů:

vázání zbytkového kyslíku
snižování koroze nastavením hodnoty pH
stabilizace zbytkové tvrdosti
zabraňování usazeninám a tvorbě kotlového kamene

Dávkovací prostředky jsou přitom v zásobníku napájecí vody dávkovány tak, aby byl dán dostatečný čas reakce ve vodě zhruba 30 min.

Běžně je k vázání kyslíku používán siřičitan sodný a k vázání zbytkové tvrdosti a zvýšení hodnoty pH fosforečnan sodný.

Odborná zpráva: Moderní úprava a analýza vody

a	Množství odluhu z množství napájecí vody [%]
L_SPW	Vodivost napájecí vody [μS/cm]
L_ZW	Vodivost přídavné vody [μS/cm]
L_K	Přípustná vodivost kotlové vody [μS/cm]
c	Množství kondenzátu