某型船用蒸汽動力裝置加裝除鹽裝置的可行性分析

1 引 言

某型船用蒸汽動力裝置(以下簡稱“裝置”)[1],是20世紀(jì)50年代前的產(chǎn)品，其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2]一直遵循當(dāng)時(shí)的前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。由于當(dāng)時(shí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)較低，鍋爐水鹽度較高，直接導(dǎo)致其主鍋爐過熱器內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該主鍋爐過熱器管子的設(shè)計(jì)壽命為10～12年(即30 000 h)，但僅使用3 000～6 500 h后，各過熱器流程均有不同程度的破管[3]。過熱器管子的提前破損致使該型船修理間隔縮短，在廠修理時(shí)間也大大延長，增加了相關(guān)的維修費(fèi)用。

為減少過熱器內(nèi)部的腐蝕，提高鍋爐過熱器管子的壽命，減少維修費(fèi)用，需切實(shí)降低鍋爐水的鹽度。為此，本文在現(xiàn)行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，分析影響鍋爐水鹽度的因素，提出在該型裝置凝給水系統(tǒng)中加裝除鹽裝置的新思路，并對其可行性作分析探討。

2 加裝除鹽裝置的新構(gòu)想

2.1 鍋爐水質(zhì)的影響因素

該型裝置的鍋爐水水質(zhì)決定于給水水質(zhì)及鍋爐的排污程度，其中給水水質(zhì)是關(guān)鍵。裝置運(yùn)行中，給水由兩大部分組成：一是主冷凝器的冷凝水，二是水柜里碼頭軟水站的補(bǔ)給水和造水機(jī)提供的爐水的混合水，它們的水質(zhì)決定了給水水質(zhì)。

2.1.1凝水水質(zhì)分析

主冷凝器凝水水質(zhì)與主冷凝器的氣密性、內(nèi)部脹管處的緊密性和廢汽的含鹽量有關(guān)，主冷凝器出現(xiàn)滲漏(凝水側(cè)漏進(jìn)海水)及蒸汽攜帶鍋水都將改變凝水的水質(zhì)。裝置中間負(fù)荷(航速24 kn)時(shí)鍋水Cl-標(biāo)準(zhǔn)為80～167 mg/L，假設(shè)中間負(fù)荷時(shí)蒸汽濕度為0.2%,飽和蒸汽所攜鹽份在過熱器的沉積率為95%，則主停汽閥后過熱蒸汽的Cl-含量約為：

0.05×0.002×(80～167)=

(0.008～0.018) mg/kg

而海水中的Cl-含量為18 980 mg/kg,與海水相比,由廢汽帶進(jìn)主冷凝器的Cl-可忽略不計(jì)。由此可認(rèn)為,主冷凝器凝水中的Cl-主要因漏進(jìn)海水所致。

由海水成分可知，每1 g海水中含34.483 mg的鹽類,其中Cl-為18.98 mg。條例規(guī)定經(jīng)濟(jì)航速(14 kn)時(shí)凝水中Cl-的極限值為6 mg/L，6 mg Cl-相當(dāng)于0.316 g海水中的Cl-含量,也就是在1 L凝水中漏進(jìn)了0.316 g的海水,使得凝水中的Cl-量達(dá)到6 mg/L,其對應(yīng)的總含鹽量Cn為：0.316×34.483 = 10.9 mg NaCl/l(0.186 me/L);其中主要成分為: Na+3.34 mg/L；Ca2+0.13 mg/L；Mg2+0.40 mg/L；Cl-6 mg/L；SO42-：0.84 mg/L。

條例同時(shí)規(guī)定裝置全航速(36 kn)時(shí)凝水中Cl-的極限值為3 mg/L，同理可知全航速時(shí)凝水總含鹽量Cn為5.45 mg NaCl/L(0.093 me/L)。在經(jīng)濟(jì)航速(14 kn)和全航速(36 kn)間進(jìn)行線性插值，得到裝置中間負(fù)荷(航速24 kn)時(shí)的凝水總含鹽量Cn為8.2 mg NaCl/L(0.14 me/l)。

2.1.2造水機(jī)出水水質(zhì)分析

造水機(jī)利用廢汽將海水加熱，產(chǎn)生的蒸汽冷凝后變成符合要求的爐水，造水機(jī)24 h造水量Gz為50 t(約2 t/h)。條例規(guī)定造水機(jī)的出水指標(biāo)為Cl-≤6 mg/L，這可近似認(rèn)為每升蒸餾水中的殘余海水不得高于0.316 g,其總含鹽量Cz≤10.9 mg NaCl/L(0.186 me/L)。

2.1.3軟水站補(bǔ)給水水質(zhì)分析

軟水站補(bǔ)給水現(xiàn)行水質(zhì)指標(biāo)為：鹽度(Cl-)≤6 mg/L、硬度(Ca2+)≤0.036 me/L、堿度(HCO-3)≤0.072 me/L，這一指標(biāo)相當(dāng)于補(bǔ)給水中NaCl≤9.89 mg/L(0.169 me/L)、NaHCO3≤3.024 mg/L(0.036 me/L)、Ca(HCO3)2≤2.916 mg/L(0.036 me/L)，補(bǔ)給水總含鹽量Cb≤15.83 mg NaCl/L(0.241 me/L)。但從給該型船供水的不同地區(qū)碼頭軟水站的調(diào)查得知，部分軟水站已經(jīng)得到改造，軟水電導(dǎo)率為0.1～1 μs/cm,折合總含鹽量約為0.03～0.5 mg NaCl/L，水質(zhì)存在小范圍波動是因軟水站離子交換樹脂隨工作時(shí)間的延長，交換能力會有所下降以及軟水在儲水池儲存一段時(shí)間后吸收潮濕空氣所致，但即使如此實(shí)際水質(zhì)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原給水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 加裝除鹽裝置的新構(gòu)想

根據(jù)以上分析，鍋爐給水的水質(zhì)關(guān)鍵在主冷凝器的凝水水質(zhì)和造水機(jī)的補(bǔ)給水水質(zhì)。如想在現(xiàn)行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上改善給水水質(zhì),可從兩個方面著手，一方面提高主冷凝器的凝水水質(zhì)，另一方面提高造水機(jī)出水水質(zhì)，有效方法是在凝給水系統(tǒng)與造水機(jī)系統(tǒng)中各增設(shè)1臺除鹽裝置,對主冷凝器冷凝水與造水機(jī)出水作除鹽處理。如圖1所示，在原有凝給水系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在冷凝水出口處加裝除鹽裝置1，在造水機(jī)后加裝除鹽裝置2。

圖1 裝置凝給水系統(tǒng)和加裝除鹽裝置示意圖

3 加裝除鹽裝置的可行性分析

3.1 裝置凝給水系統(tǒng)內(nèi)的汽水分配

考慮該型船常用工況為24 kn航速，除鹽裝置的設(shè)計(jì)以24 kn為工作負(fù)荷。裝置中2臺鍋爐單位時(shí)間總產(chǎn)汽量(也是總給水量)為38 t/h，在此負(fù)荷下循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的汽水分配見圖2。

圖2 裝置凝給水系統(tǒng)內(nèi)的汽水分配圖

如圖2所示，中間負(fù)荷時(shí)主機(jī)耗汽量為22.8 t/h，凝汽式輔機(jī)廢汽總量為3.9 t/h，這兩部分廢汽直接排入主冷凝器；背壓式輔機(jī)廢汽排入廢汽總管總量約為11.3 t/h；除氧器從廢汽總管獲得廢汽3.42 t/h，用以對凝水進(jìn)行加熱除氧；在保持廢汽總管壓力為1±0.1 kg/cm2的前提下其余廢汽供給造水機(jī)，總量約為7.88 t/h。由于供給造水機(jī)的廢汽不是直接進(jìn)入凝給水系統(tǒng)，為保持循環(huán)回路中的汽水平衡，裝置在中間負(fù)荷下須從日用水柜將7.88 t/h直接補(bǔ)充到主冷凝器,最終從主冷凝器出來的混合水量為34.58 t/h，這部分工質(zhì)是需除鹽裝置再處理的水。

3.2 冷凝器后加裝除鹽裝置的可行性分析

從該型裝置機(jī)爐艙現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，凝水泵出口至除氧器之間的空間非常狹窄，加裝直徑為0.75 m的離子交換裝置非常困難。即使安置了直徑為0.75 m的除鹽裝置，由于單位時(shí)間進(jìn)入交換器的凝水量較大，勢必導(dǎo)致交換器運(yùn)行周期過短，交換劑須頻繁再生，所以想通過在凝水系統(tǒng)中增設(shè)1臺除鹽裝置以提高凝水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)難度可能較大。

3.3 造水機(jī)后加裝除鹽裝置的可行性分析

通過對該型船輔機(jī)艙的現(xiàn)場勘察，艙室具備加裝1臺直徑為0.8 m離子交換器的空間。如對相關(guān)管路做一定改造，離子交換器的直徑可以增加至1.0 m。安裝時(shí)該除鹽裝置串聯(lián)在造水機(jī)至備用水柜的管路上(圖1)。從中間負(fù)荷時(shí)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的汽水分配可以看出，補(bǔ)水量占鍋爐總給水量的1/5，若在造水機(jī)后增設(shè)這臺除鹽裝置,可通過提高補(bǔ)水水質(zhì)達(dá)到部分改善給水水質(zhì)的目的。

4 除鹽裝置的設(shè)計(jì)和加裝后的水質(zhì)分析

4.1 除鹽裝置的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算

通過對工業(yè)用離子交換劑性能的廣泛篩選和參考各型已建離子交換器的使用情況[4]得知，在進(jìn)水總含鹽量為11 mg NaCl/L左右的情況下，控制流速在10 m/s以內(nèi)，選用0.5 m高的732#陽離子交換樹脂和1.0 m高的717#陰離子交換樹脂做成1.5 m高的除鹽裝置，出水總含鹽量便可降至0.03 mg NaCl/L，水質(zhì)基本和軟水站提供的軟水一致。

設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如下：

1) 除鹽裝置基本參數(shù)

直徑D= 0.8 m；

離子交換器面積FJ=πD2/4 = 0.5 m2；

離子交換器內(nèi)流速VJ=Gz/FJ= 2/0.5 = 4.0 m/h。

2) 陽離子交換樹脂設(shè)計(jì)參數(shù)

型號選擇732#；

樹脂工作交換容量ERK=1 150 ge/m3；

樹脂高度HRK= 0.5 m；

樹脂容積VRK=FJ·HRK=0.5×0.5 = 0.25 m3；

樹脂運(yùn)行周期TRK=VRKERK/GzCz= 0.25×1 150/(2.0×0.186)= 773 h。

3) 陰離子交換樹脂設(shè)計(jì)參數(shù)

型號選擇717#；

樹脂工作交換容量ERA= 520 ge/m3；

樹脂高度HRA=1.0 m；

樹脂容積VRA=FJ·HRA= 0.5×1.0 = 0.5 m3；

樹脂運(yùn)行周期TRA=VRAERA/GzCz= 0.5×520/(2.0×0.186)= 699 h。

4) 離子交換器內(nèi)流動阻力

離子交換器內(nèi)流動阻力為陽離子交換層阻力ΔhRK(圖3(a))與陰離子交換層阻力ΔhRA(圖3(b))之和[5]。假設(shè)造水機(jī)后冷凝水溫度取40℃，交換器內(nèi)流動阻力ΔhJ可近似表述為：

圖3 離子交換樹脂水流阻力曲線

4.2 加裝除鹽裝置后的水質(zhì)分析

由汽水分配圖(圖2)可知，運(yùn)行中循環(huán)回路的7.88 t/h補(bǔ)水來自日用水柜，而日用水柜的水可視為軟水站提供的軟水與造水機(jī)所造水按1：1比例的混合水。假設(shè)基地軟水站供水總含鹽量取均值0.265 mg NaCl/L,Cl-含量為0.161 mg/L。在造水機(jī)未加裝除鹽裝置前，日用水柜中混合水含鹽量為：

(0.265 +10.9)/2 = 5.583 mg NaCl/L

經(jīng)除鹽裝置處理后,日用水柜混合水的含鹽量為：

(0.265 +0.03)/2 = 0.148 mg NaCl/L

由此看出，在造水機(jī)出口加裝除鹽裝置后，日用水柜混合水的水質(zhì)可以提高近50倍。考慮冷凝器凝水總量為34.58 t/h， 中間負(fù)荷時(shí)凝水總含鹽量Cn可降低為：

(0.148×7.88 +8.2×26.7)/34.58

=6.37 mg NaCl/L

即凝水總含鹽量下降22%,水質(zhì)提高明顯。

5 結(jié) 論

1) 為提高某型船用蒸汽動力裝置的爐水品質(zhì)，可在凝給水系統(tǒng)中的冷凝器出水口和造水機(jī)出口處加裝除鹽裝置。受該型裝置機(jī)爐艙空間和除鹽裝置尺寸的限制，在冷凝器后加裝除鹽裝置難度較大；在造水機(jī)出口處加裝除鹽裝置具有可行性。

2) 對造水機(jī)后加裝除鹽裝置進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)計(jì)算表明：交換樹脂直徑取0.8 m，選用0.5 m高的732#陽離子交換樹脂和1.0 m高的717#陰離子交換樹脂做成1.5 m高的混合離子交換器，在4.0 m/h流速下，工作周期平均為700 h，相當(dāng)于可連續(xù)工作1個月，可完全滿足該型船的近海遠(yuǎn)航要求；除鹽裝置運(yùn)行時(shí)流速很小，流阻僅為0.56 m水柱，技術(shù)上不影響造水機(jī)輸送泵的正常工作；除鹽裝置可使日用水柜水質(zhì)提高近50倍，冷凝器后凝水總含鹽量下降22%，水質(zhì)提高明顯，基本上解決了爐水鹽度過高的問題。

[1] 金家善.汽力裝置原理與使用[M].武漢：海軍工程大學(xué)，2006.

[2] 鍋爐水質(zhì)分析[G].武漢：海軍工程學(xué)院化學(xué)教研室，1983.

[3] 張曉東.某型船主鍋爐管束腐蝕解決方案研究[R].武漢：海軍工程大學(xué)科技報(bào)告，2008.

[4] 許保玖，安鼎年.給水處理·理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992.

[5] 華東建筑設(shè)計(jì)研究院.給水排水設(shè)計(jì)手冊第四冊：工業(yè)給水處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002.