供热锅炉房用水量计算的探讨

引言

供热锅炉房对补水硬度有严格要求,目前锅外水处理工艺中,钠离子交换法软水设备应用广泛。文献[1]和文献[2]都对锅外水处理钠离子交换方法进行了介绍,但对于供热锅炉房设计领域的工程人员来讲,锅炉房用水量的构成、用水量计算公式中各项要素之间的联系、设备选型与理论计算之间的合理匹配,以及方案设计阶段如何简化用水量计算等问题的理解还是存在概念不清晰、过程不系统等难点,值得进行系统梳理和探讨。

1用水量计算

1.1软水器单个交换周期的耗水量构成

要知道软水器单个交换周期的耗水量构成,只需要建立一个交换周期内锅炉房的水量平衡方程。

(1)若不设置独立反洗水箱,以整个锅炉房为研究对象建立平衡方程如下:

平衡方程中等式右侧前四项的计算结果为锅炉房软水需要量:最后一项包括三个组成部分,为软水器自身耗水量。

(2)同样不设置独立反洗水箱,以软水器为研究对象建立平衡方程如下:

式中,50为软水器单个交换周期的总耗水量(m3):0c为单个交换器的软水产量(m3/台):0f为单个交换器的反洗耗水量(m3/台):0b为单个交换器的再生耗水量(m3/台):0z为单个交换器的正洗耗水量(m3/台):n为同时工作的交换器台数(台)。

在式(2)中,等式两边同时除以再生周期7,即得到软水器进水平均流量方程:

式中,g为锅炉房需要的小时软水量(m3/h):ggj为蒸汽锅炉小时给水量(m3/h):gbj为热水锅炉一次网小时补水量(m3/h):gpw为锅炉小时排污量(m3/h):gns为凝结水小时回收量(m3/h):其他符号同前。

式(3)中,可理解为因交换剂再生需要产生的折算小时用水量,之所以称为"折算小时用水量",是从再生周期的定义角度出发的。

再生周期是从交换剂再生完全到下次失效的时间,也就是交换器从再生完全开始,连续输出软化水直到出水硬度指标达到0.03mmol/L所用的时间。从再生周期的定义可知,交换剂失效后的反洗、再生和正洗过程并不在再生周期内,对单个交换器而言,从再生完全到下次再生完全所用的时间应为:

式中,7s为再生完全至下次再生完全总时间(h):7为再生周期(h):7f为反洗时间(h):7b为再生时间(h):7z为正洗时间(h)。

之所以在式(3)中,计算平均小时流流量时分母采用7值,而不是7s,一是在整个7s中,7一般在12~24h,即使小出力设备(不超10t/h)的7值最少也在6~8h,而一般情况下,反洗时间约15min,再生时间约30min,正洗时间约40min,三项之和共计1.42h,在7s中所占比例较小:二是软水器主要功能是输出软化水,7是有效输出时间,7f+7b+7z则为无效输出时间,计算小时平均流量应以有效输出时间为基准,而且反洗、再生和正洗用水量折算到7时间内,从工程应用的角度出发也是安全的。

1.2交换器再生周期的计算

下面以工程中采用较多的交换树脂为例分析再生周期的计算。

一般产品样本中会给出交换剂的填装量C(kg),树脂湿视密度p(g/mL)一般在0.6~0.85g/mL之间,则可计算出单台交换器填充的交换树脂体积:

式中,V为单台交换器填充的树脂体积(m3):1000为单位换算系数。

则单台软水器的产水量为:

式中,e为交换剂工作交换容量(mol/m3):H0为原水总硬度(mmol/L):Hc为软水总硬度(mmol/L),一般取0.03mmol/L:其他符号同前。

若已知锅炉房所需要的小时软水量0,即可求得软水器的连续工作时间或再生周期:

式中,所有符号同前。

1.3软水器进水最大小时流量的确定

在工程设计中,一般离子交换器的设置不少于2台,考虑一台为再生备用,假设同时工作的交换器数量为n台,在这种运行方式下,同一个再生周期内,n台设备同时输出软化水,而备用再生设备则进行再生(反洗、再生和正洗)过程,因此软水器进水最大小时流量为:

式中,ζmax为软水器进水最大小时流量(m3/h):g1为软化流度(m/h):gf为反洗流度(m/h):gb为再生流度(m/h):gz为正洗流度(m/h):F为树脂罐截面积(m2):ζf为反洗小时流量(m3/h):ζb为再生小时流量(m3/h):ζz为正洗小时流量(m3/h):ζ为锅炉房所需小时软水流量(m3/h)。

1.4平衡方程中各项耗水量的计算

(1)软水器的各项耗水量取决于三个要素:流速(m/h)、树脂罐截面积(m2)和时间(min),详见公式(9)~(11)。

式中,各项符号同前。

(2)锅炉房软水用水量的计算:由式(1)和式(3)可知,锅炉房软水用水量=蒸汽锅炉小时给水量(含排污量)+热水锅炉一次网小时补水量-凝结水小时回收量,各项用水量计算参见文献[1],不再赘述。

2工程实例分析

利用上述公式对某工程进行用水量计算、设备选型和相关分析。分析计算取软水器反洗速度15m/h,反洗时间15min:再生速度3.5m/h,再生时间计算确定:正洗速度15m/h,正洗时间40min,锅炉房所需小时软水量6.86m3/h。

2.1选型计算

软水器处理水量7~9.6m3/h,双阀双罐,交换器同时工作1台,软水器出力大于所需软水流量6.86m3/h。

经计算:锅炉房小时用水量19.59m3/h,平均小时用水量7.08m3/h:软水器小时耗水量12.73m3/h,占比65%:软水器平均小时耗水量0.22m3/h,占比3.1%:软水器再生周期27.1h,超过规范规定合理范围(12~24h)。

2.2优化选型

软水器处理水量5~8m3/h,单阀双罐,交换器同时工作1台,锅炉房选软水器出力与所需软水流量匹配。

经计算:锅炉房小时用水量13.56m3/h,平均小时用水量7.02m3/h:软水器小时耗水量6.7m3/h,占比49.4%:软水器平均小时耗水量0.16m3/h,占比2.3%:软水器再生周期19.4h,在规范规定合理范围内。

根据2.1和2.2的计算结果可知:

(1)当软水器放大一号时,最大小时用水量增大44.5%,再生周期增大39.7%,且超过规范规定的合理范围,平均小时耗水量增大0.85%,软水器小时耗水量在锅炉房小时用水量中的占比增大32.7%。

(2)当软水器出力与锅炉房所需软水量合理匹配时,软水器小时耗水量占比约50%:再生周期在规范规定的合理范围内:软水器平均小时耗水量占比不超过4%,即使放大一号,占比也不超过5%。

平均小时耗水量增大幅度很小,几乎可忽略。原因:一是软水器平均小时耗水量的占比很小,优化前后分别为3.1%和2.3%:二是软水器规格放大延长了再生周期,但耗水量也增大,而软水器耗水量的变化对平均小时耗水量的影响稍大一些。

3结论

(1)通过建立锅炉房用水量平衡方程,梳理和总结了锅炉房用水量的计算方法。

(2)软水器选型时增大规格会增大再生周期,提高供水的连续性,但会导致用水量、设备费用等指标的大幅增加,存在经济性问题,实际选型时不应盲目放大。

(3)当软水器选型合理时,软水器小时耗水量约占锅炉房最大小时用水量的50%,而软水器平均小时耗水量约占锅炉房平均小时水量的4%,在方案阶段按5%~6%估算是安全的。