供熱鍋爐房用水量計(jì)算的探討

引言

供熱鍋爐房對(duì)補(bǔ)水硬度有嚴(yán)格要求,目前鍋外水處理工藝中,鈉離子交換法軟水設(shè)備應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]都對(duì)鍋外水處理鈉離子交換方法進(jìn)行了介紹,但對(duì)于供熱鍋爐房設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工程人員來(lái)講,鍋爐房用水量的構(gòu)成、用水量計(jì)算公式中各項(xiàng)要素之間的聯(lián)系、設(shè)備選型與理論計(jì)算之間的合理匹配,以及方案設(shè)計(jì)階段如何簡(jiǎn)化用水量計(jì)算等問(wèn)題的理解還是存在概念不清晰、過(guò)程不系統(tǒng)等難點(diǎn),值得進(jìn)行系統(tǒng)梳理和探討。

1用水量計(jì)算

1.1軟水器單個(gè)交換周期的耗水量構(gòu)成

要知道軟水器單個(gè)交換周期的耗水量構(gòu)成,只需要建立一個(gè)交換周期內(nèi)鍋爐房的水量平衡方程。

(1)若不設(shè)置獨(dú)立反洗水箱,以整個(gè)鍋爐房為研究對(duì)象建立平衡方程如下:

平衡方程中等式右側(cè)前四項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果為鍋爐房軟水需要量:最后一項(xiàng)包括三個(gè)組成部分,為軟水器自身耗水量。

(2)同樣不設(shè)置獨(dú)立反洗水箱,以軟水器為研究對(duì)象建立平衡方程如下:

式中,50為軟水器單個(gè)交換周期的總耗水量(m3):0c為單個(gè)交換器的軟水產(chǎn)量(m3/臺(tái)):0f為單個(gè)交換器的反洗耗水量(m3/臺(tái)):0b為單個(gè)交換器的再生耗水量(m3/臺(tái)):0z為單個(gè)交換器的正洗耗水量(m3/臺(tái)):n為同時(shí)工作的交換器臺(tái)數(shù)(臺(tái))。

在式(2)中,等式兩邊同時(shí)除以再生周期7,即得到軟水器進(jìn)水平均流量方程:

式中,g為鍋爐房需要的小時(shí)軟水量(m3/h):ggj為蒸汽鍋爐小時(shí)給水量(m3/h):gbj為熱水鍋爐一次網(wǎng)小時(shí)補(bǔ)水量(m3/h):gpw為鍋爐小時(shí)排污量(m3/h):gns為凝結(jié)水小時(shí)回收量(m3/h):其他符號(hào)同前。

式(3)中,可理解為因交換劑再生需要產(chǎn)生的折算小時(shí)用水量,之所以稱為"折算小時(shí)用水量",是從再生周期的定義角度出發(fā)的。

再生周期是從交換劑再生完全到下次失效的時(shí)間,也就是交換器從再生完全開始,連續(xù)輸出軟化水直到出水硬度指標(biāo)達(dá)到0.03mmol/L所用的時(shí)間。從再生周期的定義可知,交換劑失效后的反洗、再生和正洗過(guò)程并不在再生周期內(nèi),對(duì)單個(gè)交換器而言,從再生完全到下次再生完全所用的時(shí)間應(yīng)為:

式中,7s為再生完全至下次再生完全總時(shí)間(h):7為再生周期(h):7f為反洗時(shí)間(h):7b為再生時(shí)間(h):7z為正洗時(shí)間(h)。

之所以在式(3)中,計(jì)算平均小時(shí)流流量時(shí)分母采用7值,而不是7s,一是在整個(gè)7s中,7一般在12~24h,即使小出力設(shè)備(不超10t/h)的7值最少也在6~8h,而一般情況下,反洗時(shí)間約15min,再生時(shí)間約30min,正洗時(shí)間約40min,三項(xiàng)之和共計(jì)1.42h,在7s中所占比例較小:二是軟水器主要功能是輸出軟化水,7是有效輸出時(shí)間,7f+7b+7z則為無(wú)效輸出時(shí)間,計(jì)算小時(shí)平均流量應(yīng)以有效輸出時(shí)間為基準(zhǔn),而且反洗、再生和正洗用水量折算到7時(shí)間內(nèi),從工程應(yīng)用的角度出發(fā)也是安全的。

1.2交換器再生周期的計(jì)算

下面以工程中采用較多的交換樹脂為例分析再生周期的計(jì)算。

一般產(chǎn)品樣本中會(huì)給出交換劑的填裝量C(kg),樹脂濕視密度p(g/mL)一般在0.6~0.85g/mL之間,則可計(jì)算出單臺(tái)交換器填充的交換樹脂體積:

式中,V為單臺(tái)交換器填充的樹脂體積(m3):1000為單位換算系數(shù)。

則單臺(tái)軟水器的產(chǎn)水量為:

式中,e為交換劑工作交換容量(mol/m3):H0為原水總硬度(mmol/L):Hc為軟水總硬度(mmol/L),一般取0.03mmol/L:其他符號(hào)同前。

若已知鍋爐房所需要的小時(shí)軟水量0,即可求得軟水器的連續(xù)工作時(shí)間或再生周期:

式中,所有符號(hào)同前。

1.3軟水器進(jìn)水最大小時(shí)流量的確定

在工程設(shè)計(jì)中,一般離子交換器的設(shè)置不少于2臺(tái),考慮一臺(tái)為再生備用,假設(shè)同時(shí)工作的交換器數(shù)量為n臺(tái),在這種運(yùn)行方式下,同一個(gè)再生周期內(nèi),n臺(tái)設(shè)備同時(shí)輸出軟化水,而備用再生設(shè)備則進(jìn)行再生(反洗、再生和正洗)過(guò)程,因此軟水器進(jìn)水最大小時(shí)流量為:

式中,ζmax為軟水器進(jìn)水最大小時(shí)流量(m3/h):g1為軟化流度(m/h):gf為反洗流度(m/h):gb為再生流度(m/h):gz為正洗流度(m/h):F為樹脂罐截面積(m2):ζf為反洗小時(shí)流量(m3/h):ζb為再生小時(shí)流量(m3/h):ζz為正洗小時(shí)流量(m3/h):ζ為鍋爐房所需小時(shí)軟水流量(m3/h)。

1.4平衡方程中各項(xiàng)耗水量的計(jì)算

(1)軟水器的各項(xiàng)耗水量取決于三個(gè)要素:流速(m/h)、樹脂罐截面積(m2)和時(shí)間(min),詳見(jiàn)公式(9)~(11)。

式中,各項(xiàng)符號(hào)同前。

(2)鍋爐房軟水用水量的計(jì)算:由式(1)和式(3)可知,鍋爐房軟水用水量=蒸汽鍋爐小時(shí)給水量(含排污量)+熱水鍋爐一次網(wǎng)小時(shí)補(bǔ)水量-凝結(jié)水小時(shí)回收量,各項(xiàng)用水量計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)[1],不再贅述。

2工程實(shí)例分析

利用上述公式對(duì)某工程進(jìn)行用水量計(jì)算、設(shè)備選型和相關(guān)分析。分析計(jì)算取軟水器反洗速度15m/h,反洗時(shí)間15min:再生速度3.5m/h,再生時(shí)間計(jì)算確定:正洗速度15m/h,正洗時(shí)間40min,鍋爐房所需小時(shí)軟水量6.86m3/h。

2.1選型計(jì)算

軟水器處理水量7~9.6m3/h,雙閥雙罐,交換器同時(shí)工作1臺(tái),軟水器出力大于所需軟水流量6.86m3/h。

經(jīng)計(jì)算:鍋爐房小時(shí)用水量19.59m3/h,平均小時(shí)用水量7.08m3/h:軟水器小時(shí)耗水量12.73m3/h,占比65%:軟水器平均小時(shí)耗水量0.22m3/h,占比3.1%:軟水器再生周期27.1h,超過(guò)規(guī)范規(guī)定合理范圍(12~24h)。

2.2優(yōu)化選型

軟水器處理水量5~8m3/h,單閥雙罐,交換器同時(shí)工作1臺(tái),鍋爐房選軟水器出力與所需軟水流量匹配。

經(jīng)計(jì)算:鍋爐房小時(shí)用水量13.56m3/h,平均小時(shí)用水量7.02m3/h:軟水器小時(shí)耗水量6.7m3/h,占比49.4%:軟水器平均小時(shí)耗水量0.16m3/h,占比2.3%:軟水器再生周期19.4h,在規(guī)范規(guī)定合理范圍內(nèi)。

根據(jù)2.1和2.2的計(jì)算結(jié)果可知:

(1)當(dāng)軟水器放大一號(hào)時(shí),最大小時(shí)用水量增大44.5%,再生周期增大39.7%,且超過(guò)規(guī)范規(guī)定的合理范圍,平均小時(shí)耗水量增大0.85%,軟水器小時(shí)耗水量在鍋爐房小時(shí)用水量中的占比增大32.7%。

(2)當(dāng)軟水器出力與鍋爐房所需軟水量合理匹配時(shí),軟水器小時(shí)耗水量占比約50%:再生周期在規(guī)范規(guī)定的合理范圍內(nèi):軟水器平均小時(shí)耗水量占比不超過(guò)4%,即使放大一號(hào),占比也不超過(guò)5%。

平均小時(shí)耗水量增大幅度很小,幾乎可忽略。原因:一是軟水器平均小時(shí)耗水量的占比很小,優(yōu)化前后分別為3.1%和2.3%:二是軟水器規(guī)格放大延長(zhǎng)了再生周期,但耗水量也增大,而軟水器耗水量的變化對(duì)平均小時(shí)耗水量的影響稍大一些。

3結(jié)論

(1)通過(guò)建立鍋爐房用水量平衡方程,梳理和總結(jié)了鍋爐房用水量的計(jì)算方法。

(2)軟水器選型時(shí)增大規(guī)格會(huì)增大再生周期,提高供水的連續(xù)性,但會(huì)導(dǎo)致用水量、設(shè)備費(fèi)用等指標(biāo)的大幅增加,存在經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題,實(shí)際選型時(shí)不應(yīng)盲目放大。

(3)當(dāng)軟水器選型合理時(shí),軟水器小時(shí)耗水量約占鍋爐房最大小時(shí)用水量的50%,而軟水器平均小時(shí)耗水量約占鍋爐房平均小時(shí)水量的4%,在方案階段按5%~6%估算是安全的。