در سیستم‌های صنعتی و نیروگاهی، آب تغذیه بویلر به‌عنوان یکی از حیاتی‌ترین عوامل در عملکرد مطلوب و عمر طولانی دیگ بخار نقش کلیدی دارد. کیفیت نامناسب آب دیگ بخار می‌تواند منجر به رسوب‌گذاری، خوردگی، کاهش راندمان حرارتی و حتی خسارات جبران‌ناپذیر به تجهیزات شود.
بنابراین، درک دقیق پارامترهای مهم مربوط به کیفیت آب بویلر و روش‌های مناسب کنترلی و اصلاحی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مقاله جامع قرار است به بررسی تمامی جنبه‌های مرتبط با آب تغذیه بویلر بپردازیم، از مقدار خلوص مورد نیاز گرفته تا روش‌های آزمایش، پیش‌گرمایش، و کنترل ناخالصی‌ها. همچنین، در هر بخش به‌طور مفصل به مفاهیم سختی آب، آب مقطر بویلر و آب نرم شده اشاره خواهیم کرد تا خوانندگان گرامی به درکی کامل از نیازمندی‌های آب تغذیه دیگ بخار دست یابند. برای کسب اطلاعات تکمیلی و انتخاب بهترین روش‌های تصفیه آب بویلر می‌توانید به صفحه مرتبط با این فرایند در وب‌سایت گرین پاور مراجعه کنید.
مقدار خلوص آب تغذیه دیگ بخار
یکی از نخستین و اساسی‌ترین سوالات در رابطه با آب تغذیه بویلر این است که «میزان خلوص مورد نیاز چقدر باید باشد؟» پاسخ به این پرسش مستلزم آشنایی با استانداردهای بین‌المللی و نیازهای عملیاتی دیگ‌های بخار است. به‌طور معمول، آب دیگ بخار باید دارای سطح بسیار پایینی از ناخالصی‌ها باشد تا از بروز مشکلات جدی مثل رسوبات کربناتی، خوردگی و افزایش مصرف سوخت جلوگیری شود.
اهمیت خلوص در طول عمر دیگ بخار
میزان خلوص آب دیگ بخار به‌صورت مستقیم با عمر تجهیزات در ارتباط است. هرگونه ذره ناخواسته در آب می‌تواند در دمای بالا تبدیل به رسوب شود و سطح داخلی لوله‌ها و دیواره‌های دیگ را بپوشاند. این رسوبات با ایجاد لایه عایق بین سطح فولاد و بخار، باعث کاهش انتقال حرارت و افزایش مصرف سوخت می‌شوند.
همچنین، حضور یون‌های کلرید و سولفات حتی در مقادیر ناچیز می‌تواند باعث خوردگی سریع فولاد شود که نتیجه آن نشت آب و آسیب‌های جدی به بویلر است. بنابراین، رعایت دقیق استانداردهای خلوص آب تغذیه بویلر یک ضرورت انکار ناپذیر برای جلوگیری از تعمیرات پی‌درپی و هزینه‌های سنگین ناشی از تعویض قطعات است.
آب تغذیه برای بویلر بخار چه کیفیت و ویژگی باید داشته باشد؟
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های فیزیکی آب تغذیه بویلر، شفافیت و رنگ آن است. هرگونه تغییر رنگ یا کدری ناشی از ذرات معلق یا آلاینده‌های آلی نشان‌دهنده وجود مقادیر قابل توجهی از آلاینده در آب است که می‌تواند بازده حرارتی را کاهش دهد یا منجر به گرفتگی لوله‌ها و نازل‌های برنر شود. همچنین، غلظت مواد معلق باید تا حد امکان نزدیک به صفر باشد تا از رسوب‌گذاری مکانیکی روی سطوح گرم جلوگیری شود.
در بخش شیمیایی، مواردی مانند سختی، هدایت الکتریکی، pH، میزان کلرید، سولفات، سیلیکات و اکسیژن محلول اهمیت فوق‌العاده‌ای دارند. همان‌طور که در بخش قبل اشاره شد، سختی آب (نحوه اندازه‌گیری آن بر حسب ppm یا mg/L) معیاری برای تعیین مقدار یون‌های کلسیم و منیزیم موجود در آب است. اگر این مقدار بیش از حد مجاز باشد، رسوبات کربناتی تشکیل شده و بر سطح لوله‌ها و دیواره‌های دیگ می‌نشیند. به همین دلیل، استفاده از آب نرم شده یک الزام است.
برای دیگ‌های بخار صنعتی با فشار پایین تا متوسط، معمولاً میزان سختی کمتر از 1 ppm یا اصطلاحاً صفر نسبی توصیه می‌شود. در بویلرهای با فشار بالا، حتی سختی آثاری کمتر از 0.1 ppm نیز مورد نظر است. برای رسیدن به این سطوح، روش‌های استاندارد تصفیه اب بویلر مانند تبادل یونی یا سیستم‌های RO ضروری خواهد بود.
محدوده مطلوب pH برای آب دیگ بخار بین 8.5 تا 9.5 است. اگر pH کمتر از این محدوده باشد، اسیدیته باعث خوردگی می‌شود و اگر pH خیلی بالا باشد، ممکن است ایجاد رسوبات قلیایی کند که به‌نوعی دیگر مشکل‌ساز است. همچنین، اکسیژن محلول باید به حداقل برسد؛ زیرا در دماهای بالا اکسیژن باعث ترک خوردگی فولاد خواهد شد. از این رو، معمولاً قبل از ورود آب به بویلر از مواد شیمیایی مثل هیدرازین یا سولفیت سدیم برای زدایش اکسیژن استفاده می‌کنند.
علاوه بر یون‌های کلسیم و منیزیم، یون‌های کلرید و سولفات دشمنان بزرگ دیگ بخار هستند. وجود یون کلرید در آب تغذیه بویلر باعث خوردگی حفره‌ای (pitting corrosion) روی سطوح فولادی می‌شود که نقطه آغاز آسیب‌های جدی است. سولفات نیز با ایجاد لایه‌های غیرمحلول روی لوله‌ها، باعث افزایش مصرف انرژی و هدر رفت حرارتی می‌شود. به همین دلیل، باید سطح این یون‌ها در حداقل ممکن و اغلب زیر 10 ppm کنترل شود.
TDS (Total Dissolved Solids) معیاری از مجموع تمامی جامدهای محلول در آب است. مقدار TDS بالا نشان‌دهنده آن است که یون‌های زیادی در آب وجود دارد که با افزایش فشار و دما می‌تواند به رسوب‌های سخت منجر شود. به همین ترتیب، هدایت الکتریکی که معیاری برای میزان یونیزه شدن آب است، باید کمتر از 0.5 میکروموس بر سانتی‌متر باشد تا از رسوب‌گذاری و خوردگی جلوگیری شود. در موارد خاص، برای بویلرهای فشار بالا، مقدار هدایت مورد قبول به حدود 0.1 میکرو موس بر سانتی‌متر کاهش می‌یابد.
اگرچه تمرکز اصلی بر پارامترهای شیمیایی است، اما نباید از کیفیت میکروبیولوژیکی آب غافل شد. رشد باکتری‌ها و جلبک‌ها در سیستم تغذیه می‌تواند باعث لجن‌گذاری و کاهش تبادل حرارتی شود. برای جلوگیری از این موضوع، استفاده از مواد ضدعفونی‌کننده مثل کلر یا ازن توصیه می‌شود. همچنین، نظارت دوره‌ای با استفاده از تست‌های میکروبیولوژیک ضرورت دارد تا از عدم رشد غیرمجاز میکروارگانیسم‌ها اطمینان حاصل شود.
کری‌اور در بویلر چیست و چرا باید کنترل شود؟
یکی از اصطلاحات تخصصی در حوزه بویلر بخار که کمتر به زبان ساده توضیح داده می‌شود «کری‌اور» یا «Carryover» است. در حقیقت، کری‌اور به انتقال قطرات آب یا املاح همراه با بخار از بویلر به شبکه بخار اطلاق می‌شود.
علل بروز کری‌اور
علل اصلی ایجاد کری‌اور در بویلر را می‌توان در چند بخش تقسیم بندی کرد:
۱. کیفیت نامطلوب آب تغذیه: وجود ذرات معلق، توده‌های آلی یا سطوح بالای TDS منجر به تشکیل کف (foam) در سطح آب داخل دیگ می‌شود. این کف همراه با بخار به سمت بالا رانده شده و باعث انتقال ذرات به سیستم می‌شود.
۲. تنظیم ناصحیح سطح آب: بالا بودن بیش از حد سطح آب داخل کوره دیگ یا پایین بودن سطح به گونه‌ای که باعث ایجاد ناحیه ناصاف در سطح شود، به ایجاد تعدد کف و امواج سطحی کمک می‌کند که ذرات را با خود به بخش جدا کننده بخار می‌برد.
۳. فشار و دمای کاری بالا: هرچه فشار و دمای داخل بویلر افزایش یابد، تمایل به ایجاد کری‌اور افزایش می‌یابد، زیرا کشش سطحی آب کاهش می‌یابد و تشکیل امواج و کف روی سطح مایع تسهیل می‌شود.
۴. طراحی نامناسب بخش جدا کننده بخار: جداکننده‌هایی که وظیفه تفکیک ذرات مایع از بخار را بر عهده دارند، اگر به‌درستی طراحی نشده باشند یا تحت تاثیر خوردگی و رسوبات فاقد کارایی باشند، امکان نفوذ ذرات بیشتر می‌شود.
اثرات مخرب کری‌اور بر تجهیزات
وقتی کری‌اور رخ می‌دهد و ذرات مایع همراه بخار به داخل تجهیزات مصرف‌کننده نفوذ می‌کنند، پیامدهای زیر به‌وجود می‌آیند:
۱. خوردگی و رسوب‌گذاری در توربین: ذرات املاح محلول در بخار روی پره‌های توربین رسوب کرده و تعادل دینامیکی پره‌ها را برهم می‌زند. این امر علاوه بر کاهش بازده توربین، خطر شکست مکانیکی را نیز افزایش می‌دهد.
۲. آسیب به نازل‌ها و شیرها: تجمع رسوبات در مسیر جریان بخار باعث مسدود شدن نازل‌ها و شیرآلات شده و عملکرد کلی سیستم را مختل می‌کند.
۳. کاهش انتقال حرارت در مبدل‌ها: اگر بخار دارای ذرات مایع باشد و وارد مبدل‌های حرارتی شود، رسوبات ناشی از کری‌اور باعث کاهش تبادل حرارت می‌شوند و در نتیجه راندمان کلی نیروگاه یا خط تولید پایین می‌آید.
۴. افزایش مصرف سوخت: با کاهش انتقال حرارت، برای تولید همان میزان بخار، سوخت بیشتری مصرف می‌شود که هزینه‌های عملیاتی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
اثرات مخرب کری اور
روش‌های پیشگیری از کری‌اور
برای پیشگیری از کری‌اور در بویلر باید به چند نکته کلیدی توجه کرد:
– استفاده از آب نرم و مقطر: کاهش TDS و سختی آب تا حداقل ممکن (حد مجاز 0.1 ppm برای بویلرهای فشار بالا) باعث کاهش تشکیل کف می‌شود. در این راستا، فرایند تصفیه اب بویلر به کمک سیستم‌های RO، تبادل یونی یا تقطیر کامل، ضروری است.
– کنترل دقیق سطح آب: استفاده از ابزارهای دقیق برای اندازه‌گیری لحظه‌ای سطح آب تغذیه بویلر و تنظیم خودکار پمپ‌ها و شیرهای تغذیه نقش مهمی در جلوگیری از نوسانات شدید سطح آب دارد.
– طراحی مناسب جداکننده: استفاده از جداکننده‌های سیکلونیک یا وِینتیوری که با نیروی گریز از مرکز ذرات مایع را از بخار جدا می‌کنند، باعث کاهش قابل توجه انتقال ذرات می‌شود. همچنین، نظارت مستمر بر کارایی این جداکننده‌ها ضروری است.
– کاربرد آنتی‌فوم: مصرف مواد شیمیایی ضد کف در آب تغذیه دیگ بخار به هنگام تزریق آب می‌تواند از تشکیل کف و امواج جلوگیری کند. این مواد با کاهش کشش سطحی، مانع از تولید کف می‌شوند.
اهمیت پیش‌گرمایش آب تغذیه در عملکرد دیگ بخار
زمانی که آب تغذیه بویلر در دمای پایین مستقیماً وارد بویلر شود، نیاز است که انرژی قابل توجهی برای افزایش دما از دمای محیط تا دمای اشباع بخار صرف شود. این انرژی اغلب از طریق مشتعل کردن سوخت فسیلی تأمین می‌شود که علاوه بر هزینه بالا، آلودگی محیطی بیشتری نیز به‌همراه دارد. با پیش‌گرمایش آب، بخشی از انرژی مورد نیاز آب توسط بخار خروجی یا گازهای خروجی دودکش (فلر) تأمین شده و در نتیجه مصرف سوخت کاهش می‌یابد.
وقتی آب سرد وارد دیگ می‌شود و با سطوح داغ لوله‌ها در تماس قرار می‌گیرد، تنش‌های حرارتی بر اثر اختلاف شدید دما بین آب و فلز ایجاد می‌شود. این تنش‌ها به‌مرور زمان موجب ترک‌های ریز در ساختار فولاد و در نهایت شکست‌های مکانیکی یا خوردگی زودرس می‌شوند. اما در حالتی که آب تغذیه دیگ بخار به‌صورت پیش‌گرم شده وارد شود، اختلاف دما کمتر شده و شدت تنش‌های حرارتی تا حد زیادی کاهش می‌یابد.
پیش گرمایش با دیگ بخار چگالشی
روش‌های رایج پیش‌گرمایش
برای پیش‌گرمایش آب تغذیه بویلر، معمولاً از دو روش اصلی استفاده می‌شود: استفاده از مبدل‌های حرارتی بازیافت گرمای دودکش و استفاده از پمپ‌های بازیابی بخار (Flash Tank).
مبدل حرارتی بازیافت گرمای دودکش
در این روش، آب تغذیه بویلر ابتدا از یک مبدل حرارتی عبور داده می‌شود که در بخش دیگرش آب یا سیال دیگری جریان دارد. گازهای داغ خروجی از دیگ یا بخار پس از عبور از بخش داغ مبدل، انرژی خود را به آب ورودی منتقل کرده و دمای آن را افزایش می‌دهند. این کار علاوه بر کاهش مصرف سوخت، باعث کاهش دمای دودکش و کاهش انتشار آلاینده‌ها به محیط زیست می‌شود.
پمپ بازیابی بخار (Flash Tank)
در سیستم‌های پیشرفته، بخشی از بخار خروجی تحت فشار پایین‌تر گرفته می‌شود و وارد مخزن فلش (Flash Tank) می‌شود. با کاهش فشار در این مخزن، مقداری از بخار به آب مایع تبدیل می‌شود که در نتیجه انرژی آزاد شده حرارت بالایی دارد. این انرژی برای پیش‌گرمایش آب تغذیه دیگ بخار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش در نیروگاه‌های بزرگ بسیار پرکاربرد است و به‌عنوان یکی از استراتژی‌های اصلی برای بهبود بهره‌وری حرارتی شناخته می‌شود.
ناخالصی‌های موجود در آب که امکان بروز مشکل دارند
یکی از مهم‌ترین مسائلی که در تعیین کیفیت آب بویلر باید بررسی شود، شناسایی ناخالصی‌هایی است که حتی در مقادیر اندک می‌توانند باعث مشکلات جدی در عملکرد و ایمنی دیگ بخار و تجهیزات جانبی شوند. در این بخش به معرفی و تشریح انواع مختلف ناخالصی‌های شایع در آب تغذیه دیگ بخار می‌پردازیم و اثرات مضر آن‌ها را مرور می‌کنیم.
جامدات محلول (TDS)
TDS نشان‌دهنده مجموع تمام یون‌ها و ذرات محلول در آب است که شامل نمک‌ها (سدیم، کلرید، سولفات)، یون‌های سختی (کلسیم، منیزیم)، سیلیکات و … می‌شود. میزان بالای TDS در آب تغذیه بویلر عملاً تهدیدی جدی برای ایجاد رسوب، کاهش تبادل حرارتی و خوردگی در سیستم است. این ذرات در دماهای بالا تجمع پیدا کرده و با شکل‌گیری لایه‌های رسوبی ضخیم، ضخامت دیواره لوله‌ها را افزایش می‌دهند که نتیجه آن افزایش مصرف سوخت و کاهش عمر مفید تجهیزات است.
رسوب‌گذاری کربناتی
آب‌های حاوی بی‌کربنات کلسیم و منیزیم، در دماهای بالای دیگ بخار تحت تغییراتی قرار می‌گیرند که باعث آزادسازی دی‌اکسید کربن و تشکیل رسوبات کربناتی می‌شود. این رسوبات به‌سرعت سطوح انتقال حرارت را می‌پوشانند و راندمان تبادل حرارتی را کاهش می‌دهند. به‌ویژه در قسمت‌های فوقانی مشعل و لوله‌های رفت و برگشت بخار، تجمع این رسوبات باعث ایجاد نقطه‌های داغ (Hot Spot) شده که منجر به آسیب تدریجی می‌شود.
جامدات معلق (SS)
SS (Suspended Solids) یا جامدات معلق، شامل ذرات غیر محلول مانند رس، شن، ذرات زنگ‌زدگی و لجن هستند. این ذرات اگرچه ممکن است در تورهای فیلتر آب قبل از دیگ جمع شوند، اما در صورت گرفتگی فیلترها یا افت کیفیت صافی‌ها، برخی از آن‌ها وارد دیگ می‌شوند. این ذرات معلق با تشکیل لایه‌های غیر منسجم روی سطوح، باعث خوردگی مکانیکی و ایجاد خراش‌های ریز می‌شوند. همچنین، در پره‌های توربین و نازل‌های ورودی، تجمع ذرات معلق می‌تواند منجر به افت فشار و کاهش کارایی شود.
یون‌های کلرید و سولفات
یون کلرید (Cl⁻) و سولفات (SO₄²⁻) دو دسته یون بسیار مخرب هستند. یون کلرید با ایجاد خوردگی حفره‌ای (Pitting Corrosion) و خوردگی شیاری در فلزات فولادی باعث آسیب‌های ناگهانی می‌شود. این خوردگی‌ها در نهایت منجر به نشت آب و بروز خطرات ایمنی می‌شوند. یون سولفات با تبدیل به اسید سولفوریک در دمای بالا، باعث خوردگی شیمیایی می‌شود که در طولانی مدت ساختار فلز را تضعیف می‌کند. هر دوی این یون‌ها باید تا حد امکان در آب تغذیه بویلر به کمترین حد برسند (معمولاً زیر 10 ppm).
اثرات ناخالصی موجود در آب
سیلیکات و فسفات
سیلیکات‌ها (SiO₂) در بسیاری از منابع آب زیرزمینی یافت می‌شوند. هنگامی که آب تغذیه بویلر حاوی سیلیکات وارد سیستم می‌شود و در دمای بالا تبخیر می‌شود، رسوبات سیلیکاتی تشکیل می‌شود. این رسوبات بر خلاف رسوبات کربناتی، لایه‌ای سخت و شیشه‌ای شکل ایجاد می‌کنند که پاکسازی آن‌ها بسیار دشوار است و معمولاً نیازمند استفاده از اسیدهای معدنی است. این کار هم هزینه‌بر است و هم ممکن است باعث خوردگی شود.
از سوی دیگر، فسفات‌ها (PO₄³⁻) اگرچه در برخی روش‌های تصفیه آب به‌عنوان مواد کنترل‌کننده رسوب استفاده می‌شوند، در صورت دوز نامناسب یا کنترل نشدن دقیق، می‌توانند خود باعث ایجاد لجن و رسوب آلی شوند که کارایی دیگ بخار را کاهش می‌دهند.
اکسیژن محلول
وجود اکسیژن در آب تغذیه دیگ بخار یکی از عوامل اصلی خوردگی محسوب می‌شود. در دماهای بالاتر از 100 درجه سانتی‌گراد، اکسیژن محلول واکنش‌های اکسیداسیون را شدت می‌بخشد و منجر به تشکیل زنگ آهن می‌شود. این زنگ به‌سرعت از لوله‌ها جدا شده و به صورت ذرات معلق در گردش آب قرار می‌گیرد که پدیده خوردگی مکانیکی (Erosion Corrosion) را به‌دنبال دارد. برای جلوگیری از این امر، در خط تغذیه آب از مواد شیمیایی تزریقی مثل هیدرازین، سولفیت سدیم یا مولتی‌اکسیدور جهت حذف اکسیژن استفاده می‌شود.
مواد آلی و باکتریولوژیک
مواد آلی، شامل ترکیبات کربن‌دار محلول یا معلق در آب هستند که می‌توانند زمینه رشد باکتری‌ها و جلبک‌ها را فراهم کنند. در این حالت، باکتری‌های رسوب‌زا (Biofilm) روی سطوح داخلی لوله‌ها رشد کرده و تولید اسیدهای آلی می‌کنند که باعث خوردگی بیولوژیکی می‌شود. این خوردگی به‌مراتب مخرب‌تر از خوردگی شیمیایی است زیرا هم به‌صورت نقطه‌ای پیش می‌رود و هم قابلیت نفوذ بیشتری دارد. برای کنترل این دسته از ناخالصی‌ها، استفاده از کلرزنی دوره‌ای و نصب دستگاه‌های UV یا ازن ژنراتور توصیه می‌شود.
ذرات معلق روغنی و گریس
در برخی صنایع مثل پتروشیمی و پالایشگاه، احتمال آلودگی آب تغذیه به روغن و گریس وجود دارد. این ذرات روغنی با ایجاد لایه نازکی روی سطح تبادل حرارتی، عمل انتقال حرارت را مختل می‌کنند و منجر به کاهش راندمان می‌شوند. علاوه بر این، ذرات روغنی می‌توانند با مواد شیمیایی تصفیه آب واکنش داده و ترکیبات چسبناکی تولید کنند که رسوبات پایداری درون بویلر ایجاد می‌کنند. در این موارد، استفاده از سیستم‌های جداکننده روغن و گریس قبل از ورود آب به بخش پیش‌گرمایش یا مبدل‌های حرارتی الزامی است.
آزمایش آب تغذیه دیگ بخار
برای تضمین کیفیت آب تغذیه بویلر و جلوگیری از مشکلاتی مانند رسوب‌گذاری، خوردگی و کری‌اور، ضرورت دارد که به‌صورت دوره‌ای و منظم نمونه‌برداری و آزمایش‌های شیمیایی و فیزیکی روی آب انجام شود. در این بخش، مراحل آزمایش آب، ابزارهای مورد نیاز، روش‌های استاندارد و پارامترهای کلیدی اندازه‌گیری تشریح می‌شود.
چون آب تغذیه بویلر در معرض تغییرات کیفی ناگهانی قرار می‌گیرد (مانند نوسانات فصلی در کیفیت آب ژرف یا تغییرات مصرف داخلی کارخانه)، تنها اتکا به یک بار تصفیه کفایت نمی‌کند. تغییر ناگهانی پارامترهایی مانند سختی آب، میزان کلرید، هدایت الکتریکی یا pH ممکن است باعث بروز اختلالات جدی گردد. بنابراین، برنامه‌ریزی دقیق برای آزمایش دوره‌ای (به‌طور معمول حداقل ماهانه یا بسته به حساسیت سیستم، هفتگی) امری ضروری است.
نتیجه‌گیری
با اجرای منظم برنامه‌های آزمایش و نگهداری، بهینه‌سازی فرایند پیش‌گرمایش و انتخاب صحیح تجهیزات و مواد شیمیایی، می‌توان به حداکثر عمر مفید دیگ‌های بخار دست یافت و هزینه‌های عملیاتی را به حداقل رساند. امیدواریم این مقاله برای مهندسین و مدیران صنعت نیروگاهی و صنعتی مفید واقع شده و بتواند راهنمایی کامل برای تضمین کیفیت و سلامت آب تغذیه بویلر باشد.
منابع :
https://mboiler.com/601-characteristics-water-entering-boiler/
