التحكم بالمواد المذابة الكلية في ماء الغلاية

حاجة قياس والتحكم في المواد المذابة الكلية (TDS) في ماء الغلاية، والطرق المُستخدمة لذلك، بما في ذلك التحكم الإلكتروني بالحلقة المغلقة مع مجسات الموصلية.

التحكم بالمواد المذابة الكلية في ماء الغلاية

مع إنتاج الغلاية للبخار، أي شوائب موجودة في مغذية الغلاية ولا تتبخر مع البخار ستتجمع في ماء الغلاية. كلما زادت تركيز المواد المذابة، تميل فقاعات البخار لأن تصبح أكثر استقرارًا، وتفشل في الانفجار عند وصولها إلى سطح الماء في الغلاية. تصل إلى نقطة (حسب ضغط الغلاية وحجمها وحمل البخار) حيث يمتلئ جزء كبير من مساحة البخار في الغلاية بالفقاعات ويُنقل الرغوة إلى أنبوب البخار الرئيسي. هذا غير مرغوب فيه بالتأكيد ليس فقط لأن البخار مفرط الرطوبة عند مغادرته الغلاية، بل لأنه يحتوي على ماء غلاية بمستوى عالٍ من المواد المذابة وربما العالقة. هذه المواد ستُلوث صمامات التحكم ومحولات الحرارة ومصائد البخار. بينما يمكن أن يحدث الرغوة بسبب مستويات عالية من المواد العالقة، أو قلوية عالية أو تلوث بالزيوت والدهون، فإن السبب الأكثر شيوعًا للانتقال (بشرط التحكم السليم في هذه العوامل الأخرى) هو مستوى المواد المذابة الكلية (TDS) العالي. التحكم الدقيق في مستوى TDS في ماء الغلاية مع الانتباه لهذه العوامل الأخرى يضمن تقليل مخاطر الرغوة والانتقال. يمكن التعبير عن TDS بعدد من الوحدات المختلفة، ويُعطي الجدول 3.12.1 بعض التحويلات التقريبية من TDS بوحدات ppm إلى وحدات أخرى. درجات بوميه ودرجات تودل (تُكتب أيضًا تودل) هي مقاييس مقياس الكثافة البديلة.

أخذ عينات ماء الغلاية

يمكن قياس TDS في ماء الغلاية إما عن طريق:

أخذ عينة، وتحديد TDS خارجيًا عن الغلاية، أو عن طريق
مُجس داخل الغلاية يُعطي إشارة إلى مراقب خارجي. أخذ عينات للتحليل الخارجي عند أخذ عينة من ماء الغلاية من المهم التأكد من أنها مُماثلة. لا يُوصى بأخذ العينة من مقاييس المستوى الزجاجية أو غرف التحكم الخارجية؛ الماء هنا مكثفات نقية نسبيًا تتشكل من التكثيف المستمر للبخار في الغرفة/الزجاج الخارجي. بشكل مماثل، العينات من قرب وصلة مغذية الغلاية قد تعطي قراءة خاطئة. حاليًا، يُركِّب معظم صانعي الغلايات وصلة لتفريغ TDS، ويمكن عمومًا الحصول على عينة مُماثلة من هذا الموقع. إذا سُحب الماء ببساطة من الغلاية، سيتبخر جزء منه بعنف إلى بخار عند خفض ضغطها. ليس فقط هذا خطير جدًا على المُشغِّل، بل أي تحليل لاحق سيكون خاطئًا تمامًا، بسبب فقدان بخار الرش المُركِّز للعينة. نظرًا لأن عينة باردة مطلوبة للتحليل، سيوفر مُبرد العينة أيضًا وقتًا كبيرًا ويُشجع على اختبارات أكثر تكرارًا. مُبرد العينة هو مُبادل حرارة صغير يستخدم الماء البارد الرئيسي لتبريد عينة ماء التفريغ.

طريقة الكثافة النسبية

ترتبط الكثافة النسبية للماء بمحتواه من المواد المذابة. للماء الخام والمغذية والمكثفات تكون الكثافة النسبة قريبة جدًا من الماء النقي بحيث لا يمكن قياسها بشكل مُرضٍ باستخدام مقياس الكثافة. لماء الغلاية، ومع ذلك، يمكن استخدام مقياس الكثافة للحصول على قياس تقريبي للمواد المذابة، حيث لماء الغلاية كل زيادة 0.0001 في الكثافة النسبية عند 15.5 درجة مئوية تُساوي تقريبًا 110 ppm. يُطلب مقياس كثافة حساس جدًا يحتاج عناية في الاستخدام للحصول على قياس مُرضٍ لـ TDS. الإجراء بشكل عام كالتالي:

ترشيح عينة ماء الغلاية المُبرَّدة لإزالة أي مواد عالقة، وإلا ستعطي قراءة خاطئة.
تبريد إلى 15.5 درجة مئوية.
إضافة بضع قطرات من عامل ترطيب لمنع التصاق الفقاعات بمقياس الكثافة.
وضع مقياس الكثافة في العينة وتدوير بلطف لإزالة الفقاعات.
قراءة الكثافة النسبية.
قراءة TDS من جدول مُرفق مع مقياس الكثافة أو حساب TDS بوحدات ppm باستخدام المعادلة 3.12.1:

مقياس الكثافة أداة حساسة، يمكن تلفها بسهولة. لتجنب الحصول على قراءات خاطئة يجب فحصها بانتظام مقابل الماء المُقطَّر. طريقة الموصلية الموصلية الكهربائية للماء تعتمد أيضًا على نوع وكمية المواد المذابة الموجودة. بما أن الحموضة والقلوية لها تأثير كبير على الموصلية الكهربائية، من الضروري معادلة عينة ماء الغلاية قبل قياس موصلتها. الإجراء كالتالي:

إضافة بضع قطرات من محلول مُشير الفينولفثالين إلى العينة المُبرَّدة (< 25 درجة مئوية).
إذا كانت العينة قلوية، يُحصل على لون بنفسجي قوي.
إضافة حمض الخليك (عادة 5%) قطرة بقطرة لمعادلة العينة، مع الخلط حتى يختفي اللون. TDS بوحدات ppm يكون تقريبًا كما هو موضح في المعادلة 3.12.2: بديلًا، مقياس الموصلية بالبطارية مع تعويض درجة الحرارة الموضح في الشكل 3.12.2 مناسب للاستخدام حتى درجة حرارة 45 درجة مئوية.

قياس الموصلية في الغلاية

من الضروري قياس موصلية ماء الغلاية داخل الغلاية أو في خط التفريغ. من الواضح، الظروف مختلفة جدًا عن العينة المُحصل عليها عبر مُبرد العينة التي ستُبرَّد ثم تُعادَل (pH = 7). الجوانب الرئيسية هي فرق درجة الحرارة الكبير وارتفاع pH. ارتفاع درجة الحرارة يُؤدي إلى زيادة في الموصلية الكهربائية. لماء الغلاية، تزداد الموصلية بمعدل 2% تقريبًا (من القيمة عند 25 درجة مئوية) لكل زيادة 1 درجة مئوية. يمكن كتابة هذا كالتالي: مثال 3.12.3 عينة ماء غلاية لديها موصلية غير مُعادلة 5,000 μS/سم عند 25 درجة مئوية. ما هي موصلية ماء الغلاية عند 10 بار ضغط زائد؟ هذا يعني أن تأثيرات درجة الحرارة يجب أخذها في الاعتبار في متحكم التفريغ، إما بتعويض درجة الحرارة التلقائي، أو بافتراض أن ضغط الغلاية (وبالتالي درجة الحرارة) ثابت. التغيرات الصغيرة في ضغط الغلاية أثناء تغيرات الحمل لها تأثير صغير نسبيًا، لكن إذا كانت قراءات TDS الدقيقة مطلوبة على غلايات تعمل بضغوط متغيرة بشكل واسع فإن التعويض التلقائي لدرجة الحرارة ضروري. ثابت الخلية مُجس مُستخدم لقياس موصلية سائل لديه ‘ثابت خلية’. قيمة هذا الثابت تعتمد على التخطيط المادي للمُجس والمسار الكهربائي عبر السائل. كلما كانت طرف المُجس أبعد عن أي جزء من الغلاية، كان ثابت الخلية أعلى. أي اختلافات في ثابت الخلية تُؤخذ في الاعتبار عند ‘معايرة’ المتحكم. الموصلية والمقاومة مرتبطان بثابت الخلية، كما في المعادلة 3.12.4:

بينما يتحول موصلية ماء الغلاية إلى مقاومة عبر المُجس، لا يمكن قياسها باستخدام مقياس مقاومة تيار مستمر بسيط. إذا طُبِّق جهد تيار مستمر على المُجس، تتشكل فقاعات هيدروجين أو أكسجين صغيرة على السطح بسبب تحليل الماء كهربائيًا. هذا التأثير، المسمى الاستقطاب الإلكتروليتي، يسبب قياس مقاومة أعلى بكثير. من الضروري استخدام جهد تيار متردد لقياس مقاومة المُجس وهذه هي الطريقة المُفضلة دائمًا في متحكمات التفريغ. تردد عالٍ نسبيًا (مثلاً 1,000 هرتز) ضروري لتجنب الاستقطاب عند الموصليات العالية لماء الغلاية.

تحديد مستوى TDS المطلوب في ماء الغلاية

تركيز المواد المذابة الفعلي الذي قد يبدأ عنده الرغوة يختلف من غلاية إلى أخرى. غلايات الغلاف التقليدية تُشغَّل عادة مع TDS في نطاق 2,000 ppm للغلايات الصغيرة جدًا، وحتى 3,500 ppm للغلايات الأكبر، بشرط أن:

تعمل الغلاية قريبًا من ضغط تصميمها.
لا تكون ظروف حمل البخار شديدة جدًا.
تكون ظروف ماء الغلاية الأخرى مُتحكَّمًا بها بشكل صحيح. تفريغ الغلاية للحفاظ على مستويات TDS هذه يساعد في ضمان توصيل بخار نظيف وجاف معقولًا إلى المنشأة. يُقدم الجدول 3.12.2 بعض الإرشادات العامة حول الحدود القصوى المسموحة لمستويات TDS في ماء الغلاية في أنواع معينة من الغلايات. فوق هذه المستويات، قد تحدث مشاكل. ملاحظة: الأرقام في الجدول 3.12.2 مُقدَّمة كدليل عام فقط. يجب دائمًا استشارة صانع الغلاية للتوصيات المحددة. حساب معدل التفريغ المعلومات التالية مطلوبة:
مستوى TDS المطلوب في ماء الغلاية بأجزاء لكل مليون (الجدول 3.12.1).
مستوى TDS في المغذية بأجزاء لكل مليون. يمكن الحصول على قيمة متوسطة من سجلات معالجة المياه، أو يمكن الحصول على عينة من المغذية وقياس موصلتها. كما مع قياس TDS في ماء الغلاية، الموصلية (μS/سم) x 0.7 = TDS بأجزاء لكل مليون (عند 25 درجة مئوية). ملاحظة: العينة المطلوبة من المغذية هي من خط تغذية الغلاية أو من خزان التغذية وليست عينة من ماء التعويض الذي يُغذِّي خزان التغذية.
كمية البخار الذي تُنتجه الغلاية، عادة يُقاس بالكجم/ساعة. لاختيار نظام تفريغ، الرقم الأهم عادة هو أقصى كمية بخار يمكن أن تُنتجه الغلاية عند الحمل الكامل. عند توفر المعلومات أعلاه يمكن تحديد معدل التفريغ المطلوب باستخدام المعادلة 3.12.5:

التحكم في معدل التفريغ هناك عدد من الطرق المختلفة للتحكم في معدل التفريغ. أبها جهاز هو لوح ثقوب (الشكل 3.12.3). يمكن تحديد حجم الثقب بناءً على:

معدل التدفق - طريقة حساب معدل التدفق موضحة أعلاه.
انخفاض الضغط - نظريًا سيكون من ضغط الغلاية إلى الضغط الجوي. ومع ذلك، احتكاك الأنابيب والضغط الخلفي حتمي، ولأغراض هذه الوحدة، افترض أن الضغط على الجانب المصب للثقب هو 0.5 بار ضغط زائد. هناك مشكلة: الثقب غير قابل للتعديل وبالتالي لا يكون صحيحًا إلا لحالة واحدة محددة. إذا زاد معدل التبخر:
يزداد - لن يمرر الثقب كمية كافية من الماء. سيرتفع مستوى TDS في الغلاية، وستحدث التغذية والانتقال.
يقل - سيمرر الثقب كمية زائدة من الماء. سيكون معدل التفريغ كبيرًا جدًا وهدر الطاقة. التبخر الماء المُصرَف من الغلاية عند درجة حرارة إشباع، وهناك انخفاض في الضغط عبر الثقب يكاد يساوي ضغط الغلاية بالكامل. هذا يعني أن نسبة كبيرة من الماء ستتحول إلى بخار، مما يزيد حجمها بأكثر من 1000 ضعف. هذا التغير السريع والعنيف في الحالة والحجم عبر الثقب قد يُؤدي إلى تآكل وتمديد سلكي للثقب. هذا يزيد من حجم الثقب وخاصية التدفق (معامل التصريف)، مما يُؤدي إلى زيادة تدريجية في معدل التفريغ. البخار، كغاز، يمكن أن ينتقل أسرع بكثير من الماء (السائل). ومع ذلك، لا تتاح الفرصة للبخار والماء للفصل بشكل صحيح، مما يُؤدي إلى انتقال قطرات الماء بسرعة عالية جدًا مع البخار إلى الأنابيب. هذا يؤدي إلى مزيد من التآكل وربما مطرقة مائية في الأنابيب والمعدات في المصب. مشكلة التبخر تزداد مع ضغط الغلاية. يجب أيضًا تذكر أن الماء المُصرَف من الغلاية قذر ولا يُحتاج إلى كمية كبيرة من الأوساخ لتقييد أو حتى سد فتحة صغيرة.

صمامات التفريغ

صمامات التفريغ المستمر في أبسط أشكالها، هذا صمام إبرة. في العرض العلوي، هناك حلقة مع:

محيط خارجي مُحدد بمقعد الصمام.
محيط داخلي مُحدد بالإبرة. إذا كان مطلوبًا زيادة في معدل التدفق، تُعدَّل الإبرة خارج المقعد وتزداد المسافة بين الإبرة والمقعد. لضمان سرعة معقولة عبر الثقب، حجم الثقب اللازم لمعدل تدفق التفريغ 1,111 كجم/ساعة (من المثال 3.12.5) سيكون حوالي 3.6 مم. بافتراض أن قطر مقعد الصمام 10 مم، يمكن حساب قطر الإبرة عند النقطة التي يُوضع فيها لإعطاء التدفق المطلوب 1,111 كجم/ساعة، كالتالي: لذلك: حل المعادلة يُظهر أن قطر الإبرة عند الضبط الصحيح هو 9.33 مم. المسافة هي نصف الفرق بين القطرَين. هذا ضعف أساسي في صمامات التفريغ المستمر؛ المسافة صغيرة جدًا بحيث يصعب تجنب الانسداد بالجسيمات الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك، لا يزال يتعين معالجة مشكلة التبخر عبر مقعد الصمام. المسافات المنخفضة تعني أن خليط بخار/ماء عالي السرعة يتدفق بالقرب من سطحي الإبرة والمقعد. التآكل (التمديد السلكي) حتمي، مما يُؤدي إلى تلف وفشل لاحق في الإغلاق. طُوِّرت صمامات التفريغ المستمر على مدى سنوات عديدة من صمامات الإبرة البسيطة، وتتضمن الآن عددًا من المراحل، ربما بشكل ثلاثة أو أربعة مقاعد أكبر تدريجيًا في الصمام، وحتى ممرات حلزونية. الهدف هو تبديد الطاقة تدريجيًا على مراحل بدلاً من جميعها دفعة واحدة. صُمِّم هذا النوع من الصمامات في الأصل للتشغيل اليدوي، وُزِّد بمقياس ومُشير مُرفق بالمقبض. في بيئة تشغيلية، تؤخذ عينة من ماء الغلاية، ويُحدد TDS، ويُجرى ضبط مناسب على موضع الصمام. لمواكبة التكنولوجيا الحديثة ومتطلبات السوق، زُوِّد بعض صمامات التفريغ المستمر بمحركات كهربائية أو هوائية. ومع ذلك، لا تزال المشكلة الأساسية للمسافات الصغيرة والتبخر والتمديد السلكي موجودة، والتلف على مقعد الصمام حتمي. على الرغم من استخدام نظام تحكم بحلقة مغلقة، سيحدث تفريغ مفرط. صمامات تفريغ الغلاية تشغيل/إيقاف ****هناك ميزة لاستخدام جهاز تحكم أكبر بمسافات أكبر، لكن فتحه فقط لبعض الوقت. من الواضح، ضبط مطلوب للحفاظ على TDS في الغلاية بين قيم معقولة، وصمامات DN15 وDN20 هي الأحجام الأكثر شيوعًا. الترتيب النموذجي هو ضبط المتحكم لفتح الصمام عند 3,000 ppm مثلًا، ثم إغلاقه عند 3,000 - 10% = 2,700 ppm. هذا يُعطي توازنًا جيدًا بين صمام بحجم معقول وتحكم دقيق.
نوع الصمام المُختار مهم أيضًا:
للغلايات الصغيرة بمعدل تفريغ منخفض وضغوط أقل من 10 بار ضغط زائد، صمام مغناطيسي مُصنَّف بشكل مناسب يُقدم حلًا فعالًا من حيث التكلفة. للغلايات الأكبر بمعدلات تفريغ أعلى، وبالتأكيد على الغلايات بضغوط تشغيل فوق 10 بار ضغط زائد، يُطلب صمام أكثر تعقيدًا لإبعاد التبخر عن مقعد الصمام لحمايته من التلف. صمامات من هذا النوع قد يكون لديها أيضًا شوط قابل للتعديل للمرونة في اختيار معدل تفريغ مناسب للغلاية، وأي معدات استعادة حرارة مُستخدمة.

أنظمة التحكم الإلكتروني بالحلقة المغلقة

تقيس هذه الأنظمة موصلية ماء الغلاية، وتقارنها بنقطة ضبط، وتفتح صمام تحكم التفريغ إذا كان مستوى TDS مرتفعًا جدًا. هناك عدة أنواع مختلفة في السوق تقيس الموصلية إما داخل الغلاية، أو في غرفة عينات خارجية تُفرَّغ بانتظام للحصول على عينة مُماثلة من ماء الغلاية. الاختيار الفعلي يعتمد على عوامل مثل نوع الغلاية وضغط الغلاية وكمية الماء المُراد تفريغها. صُمِّمت هذه الأنظمة لقياس موصلية ماء الغلاية باستخدام مُجس موصلية. تُقارَن القيمة المُقاسة بنقطة ضبط مُبرمجة في المتحكم من المستخدم. إذا كانت القيمة المُقاسة أكبر من نقطة الضبط، يُفتح صمام تحكم التفريغ حتى تتحقق نقطة الضبط. عادة، يمكن للمستخدم أيضًا ضبط ‘نطاق الميت’. كما ذُكر سابقًا، ارتفاع درجة حرارة الماء يُؤدي إلى زيادة في الموصلية الكهربائية. من الواضح إذا كانت غلاية تعمل على نطاق واسع من درجة الحرارة/الضغط، مثلما عند وضع غلايات للتباطؤ الليلي، أو حتى غلاية مع نطاق تحكم واسع للحارق، فإن التعويض مطلوب، لأن الموصلية هي عامل التحكم. فوائد تحكم TDS التلقائي

مزايا توفير العمالة للأتمتة.
تحكم أقرب لمستويات TDS في الغلاية.
توفيرات محتملة من نظام استعادة حرارة التفريغ (حيث يُركَّب). يُوضَّح حساب المزيد من التوفير بسبب تقليل معدل التفريغ في النص التالي وفي المثال 3.12.6. حيث تكون الطريقة الحالية هي التفريغ السفلي اليدوي فقط من قاع الغلاية، يمكن من خلال النظر في سجلات معالجة المياه السابقة، الحصول على فكرة عن مدى تغير TDS في الغلاية على مدى أسابيع. بالفحص، يمكن تحديد رقم TDS متوسط. حيث يكون الحد الفعلي الأقصى أقل من الحد الأقصى المسموح، يكون المتوسط كما هو موضح. حيث يتجاوز الحد الفعلي الأقصى الحد الأقصى المسموح، يجب تقليص المتوسط المُحصل عليه بشكل متناسب، لأنه من المرغوب فيه ألا يُتجاوز رقم الحد الأقصى المسموح لـ TDS أبدًا. مثال 3.12.6 يُوضِّح الشكل 3.12.8 أن متوسط TDS مع تفريغ سفلي يدوي مُشغَّل جيدًا أقل بشكل ملحوظ من الحد الأقصى المسموح. على سبيل المثال الحد الأقصى المسموح لـ TDS قد يكون 3,500 ppm ومتوسط TDS فقط 2,000 ppm. هذا يعني أن معدل التفريغ الفعلي أكبر بكثير من المطلوب. بناءً على TDS في المغذية 200 ppm، معدل التفريغ الفعلي هو: بتركيب نظام تحكم TDS التلقائي يمكن الحفاظ على متوسط TDS في ماء الغلاية عند مستوى يكاد يساوي الحد الأقصى المسموح لـ TDS كما هو موضح في الشكل 3.12.9; تقييم التوفير بتقليل معدل التفريغ إذا كانت غلاية ستزود كمية معينة من البخار، يجب أن يكون الماء المُفرَّغ إضافة لهذه الكمية. الطاقة المفقودة في التفريغ هي الطاقة المُقدَّمة للكمية الإضافية من الماء التي تُسخَّن إلى درجة حرارة الإشباع، ثم تُفرَّغ. يمكن الحصول على تقريب دقيق باستخدام جداول البخار. باستخدام الأرقام من المثال 3.12.5، إذا كانت الغلاية تعمل عند 10 بار ضغط زائد، تُصدر بخارًا عند 5,000 كجم/ساعة ودرجة حرارة مغذية 80 درجة مئوية (hf = 335 كيلوجول/كجم)، يمكن حساب تغير متطلبات الطاقة كالتالي: الحالة 1، تحكم TDS يدوي: معدل التفريغ = 11.1% مثال 3.12.7 الحالة 2، تحكم TDS تلقائي: