（机械工程专业论文）基于组态软件的冷凝水回收与监测控制系统研究.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文曰 论文作者签名：i2 蛩缸堑 日期： 盘! z 。坐：互， 导师签名： 基于组态软件的冷凝水【口1 收j 监测挖制系统研究 中文摘要 基于组态软件的冷凝水回收与监测控制系统研究 中文摘要 本文首先分析了当前工业蒸汽冷凝水的回收现状以及所面临的技术难题，然后通 过对冷凝水基本性质的分析，提出了采用蒸汽喷射器和闪蒸相结合的方法，将冷凝水 管路的压力降低，同时将冷凝水中的腐蚀气体“闪蒸”出来，从而改良了传统的冷凝 水回收工艺。结合国外工程公司的先进产品，设计了一套冷凝水闭式全回收系统，将 闪蒸后的混合气体作为锅炉除氧水箱的热源，脱气后的冷凝水可以直接作为锅炉补 水。 在此基础上，采用西门子$ 7 - 2 0 0 系列p l c 和组态王软件，将现场的传感器数据 采集至p l c ，并与组态王的变量对应起来，构建了一套在线监控系统，使工程人员能 够及时掌握和处理现场的异常和故障，并通过网络发布功能，实现管理人员的远程监 管和数据采集，从而使冷凝水回收系统能够更加高效节能和安全稳定。 关键词：冷凝水、闭式回收、背压、腐蚀、在线监测、组态王 作者：周红英 指导老师：冯志华 英文摘要基于组态软件的冷凝水| 口j 收l j 临测控制系统研究 t h es t u d yo fc o n d e n s a t er e c o v e r ym o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mb a s e d0 nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i l l 一一_一 一 一 a b s t r a c t f i r s t ，t h i ss t u d ya n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fi n d u s t r i a ls t e a mc o n d e n s a t er e c y c l i n g a n dt h et e c h n o l o g yp r o b l e m sf a c e d ，a n dt h e n ，b ya n a l y z i n gt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f s t e a mc o n d e n s e d ，t h es t u d yp u t sf o r w a r dam e t h o d ，w h i c hc o m b i n i n gt h es t e a mi n j e c t o r b u c ka n df l a s hd e g a s s i n gt om a k ec o n d e n s a t ep i p e l i n ep r e s s u r ed r o pa n de x t r a c tt h em a i n s o u r c eo fc o r r o s i o no fd i s s o l v e do x y g e na n dc a r b o nd i o x i d ef r o mt h ec o n d e n s a t e ，t o i m p r o v et h et r a d i t i o n a lc o n d e n s a t er e c y c l i n gp r o c e s s b a s e d o nt h ef o r e i g na d v a n c e d p r o d u c t s ，a ne n c l o s e df u l le n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi sd e s i g n e d t h em i x e dg a sg o e si n t o b o i l e rd e a r e a t o rt a n ka sah e a ts o u r c ea n dt h ed e g a s s e dc o n d e n s e dc o u l db es e n tt ob o i l e r f e e dw a t e rt a n kd i r e c t l y o nt h eb a s i sa b o v e ，t h es i e m e n ss e r i e ss 7 2 0 0p l ca n dc o n f i g u r a t i o nk i n gs o f h v a r e a r ea d o p t e dt oc o n s t r u c ta no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m t h ep r o c e s ss e n s o rd a t aa r ec o l l e c t e d t ot h ep l ca n dc o r r e s p o n d e dw i t ht h ek i n g v i e wv a r i a b l e s t h u s ，t h ee n g i n e e r i n gp e r s o n n e l c a nm o n i t o rt h es y s t e mw o r k i n gc o n d i t i o n sr e a l - t i m ea n dd e a lw i t ht h ea b n o r m a la n df a u l t i nt i m e ，a n dt h em a n a g e m e n tp e r s o n n e lc a nr e a l i z et h er e m o t es u p e r v i s i o na n dd a t ac a l l s t h r o u g ht h en e t w o r kr e l e a s ef u n c t i o n a l lo ft h ei m p r o v e m e n tm e n t i o n e da b o v em a k et h e s t e a mc o n d e n s a t er e c y c l i n gs y s t e mm o r es e c u r e ，e f f i c i e n t ，s t a b l ea n de n e r g ys a v i n g k e y w o r d s ：c o n d e n s a t e ， e n c l o s e d r e c y c l i n g , b a c k p r e s s u r e ， c o r r o s i o n ,o n l i n e m o n i t o r i n g ，c o n f i g u r a t i o nk i n g w r i t t e nb yh o n g y i n gz h o u s u p e r v i s e db yz h i h u af e n g n 目录 第l 章引言1 1 1 选题背景及课题意义1 1 2 冷凝水回收的现状2 1 2 1 国内研究动态2 1 2 2 国外研究动态3 1 3 冷凝水回收的经济效益分析3 1 4 开发组态在线监控系统的目的和意义5 1 5 本课题研究内容一6 第2 章冷凝水的特点和回收原理7 2 1 冷凝水的基本性质7 2 2 冷凝水的品质9 2 2 1 冷凝水的腐蚀性l o 2 2 2 回收被污染冷凝水的危害1 2 2 2 3 冷凝水的电导率1 2 2 3 冷凝水的回收1 4 2 3 1 失流的概念1 4 2 3 2 冷凝水回收管路的腐蚀及对策1 6 2 3 3 输送泵的选择1 6 2 3 4 冷凝水的回收方式1 8 2 3 5 冷凝水的回收方式的改进1 9 2 4 疏水阀的监测2 0 2 4 1 疏水阀的作用2 0 2 4 2 疏水阀的选型2 l 2 4 3 疏水阀的监测2 4 2 5 本章小结2 5 第3 章基于组态软件的冷凝水在线监测与回收系统设计2 6 3 1 组态软件介绍2 6 3 1 1 组态监控技术介绍2 6 3 1 2 国内外研究和应用现状2 6 3 1 3 组态王软件介绍3 2 3 2 系统设计的思路3 2 3 2 1 组态软件的选择3 2 3 2 2 组态王工程设计的原则3 4 3 2 3 组态王工程设计的一般步骤3 5 3 2 4 组态王开发工程的关键技术3 6 3 2 5 冷凝水监测与回收监控系统界面设计的总体思路3 7 3 3 冷凝水在线监测与回收系统的工艺流程及控制要求- 3 8 3 3 1 工艺流程图3 8 3 3 2 工艺流程说明3 8 3 3 3 控制说明3 9 3 4 p l c 的选型和接线4 2 3 4 1 可编程控制器技术及特点4 2 3 4 2p l c 的结构及基本配置4 3 3 4 3p l c 的外部设备4 4 3 4 4p l c 的选型4 4 3 4 5p l c 的连接4 6 3 4 6p l c 的编程4 9 3 5 本章小结5 2 第4 章冷凝水在线监测与回收系统的组态控制实现5 3 4 1 工程的新建5 3 4 2 外部设备的定义和变量初步建立5 4 4 3 初始界面、登录界面、监控中心界面的设计6 l 4 4 监控中心界面设计6 7 4 5 报警界面的设计7 0 4 5 1 定义报警组- 7 0 4 5 2 设置变量的报警定义属性7 0 4 5 3 建立报警和事件窗口7 l 4 6 历史趋势曲线画面的设计7 3 4 7 系统安全机制7 4 4 7 1 权限与安全区7 4 4 7 2 配置用户7 4 4 7 3 网络用户密码机制7 6 4 8w e b 发布7 6 4 8 1 连接端口的配置7 7 4 8 2 发布画面7 7 4 8 3 使用浏览器进行浏览7 8 4 9 本章小结8 0 第5 章总结8 l 参考文献8 3 攻读学位期间公开发表的论著8 5 致谢8 6 基于纽态软件的冷凝水【口1 收j ! 临测控制系统研究第1 章引苦 1 1 选题背景及课题意义 第1 章引言 我国人口众多，每年所消耗的能量巨大，近几十年来，我国经济快速增长很大程 度上依赖于“四高一多 ( 高投入、高能耗、高物耗、高污染、多占地) 的粗放经济 增长方式 1 1 。从二0 0 三年开始，中国的能源消耗速度开始高于经济增长速度，从“电 荒”、“油荒 到“水荒 ，中国的能源问题日益突出。能源紧张不时影响到了工业生 产及人民生活。2 0 1 1 年9 月2 7 日，国务院召开全国节能减排工作电视电话会议，全 面动员和部署“十二五 节能减排工作。国务院总理温家宝作重要讲话，他强调，要 从战略和全局高度认识节能减排的重大意义，全面落实节能减排综合性工作方案。党 中央、国务院高度重视节能减排工作，把它放在维护中华民族长远利益的战略高度坚 持不懈地推进，明确提出建设资源节约型、环境友好型社会的战略任务，实现节能降 耗和污染减排目标，是贯彻落实科学发展观、建设资源节约型、环境友好型社会的必 然选择，对于转变我国经济增长方式，维护中华民族长远利益，具有重要而深远的意 义。 蒸汽作为一种热能载体被广泛应用于发电、石油、化工、印染、造纸、轻纺、酿 造、橡胶、食品、陶瓷和建筑等领域中。蒸汽通过直接或间接的对物料或其它介质的 加热，在各用汽设备中放出汽化潜热后，变为近乎同温同压下的饱和冷凝水，压力、 温度越高，冷凝水具有的热量就越多，占蒸汽总热量的比例也就越大，回收冷凝水的 热量具有很大的节能潜力瞄1 。在众多石化企业中，蒸汽是重要的供热热源，随着生产 装置及各系统对其热能的利用，加上管网中的压力损失和热损失，就会产生大量蒸汽 冷凝水。冷凝水所具有的高回收价值是工厂节能降耗的重要潜力。就冷凝水本身而言， 它又具有温度高、水质好、不需软化处理的优点，将其直接送回锅炉或通过与补给水 换热后进入水处理装置，不仅节约了燃料和水处理的费用而且降低了补给水的用量。 蒸汽在间接用汽设备中放出汽化潜热得到冷凝水的过程中，由于不纯物和不凝汽体的 混入，使得冷凝水被污染并腐蚀管网，降低了冷凝水的使用价值。冷凝水处理起来比 较复杂，因为不同生产环节的冷凝水水质、压力和温度情况等都不同，需要采取不同 第l 章引言基于组态软件的冷凝水| 日j 收0 监测控制系统研究 的回收处理方法。因此，如何设计一个合理的冷凝水回收流程，选择合适的设备，对 工厂节约能源、提高系统热效率、增加经济效益、保护环境都具有重要意义。 1 2 冷凝水回收的现状 冷凝水的回收是蒸汽供热系统中节约能源的重要组成部分，通过蒸汽换热设备所 排出的冷凝水，如果没有进行回收或回收得很少，则会浪费大量经过软化处理的锅炉 给水，而且还造成冷凝水热量的损失。冷凝水在蒸汽中所占的热量约为蒸汽总热量的 1 2 - - 3 0 ，如果再加上换热系统中疏水阀的漏汽和串汽，如果不加以回收，则损失 可高达2 0 0 0 - - 5 0 乃至更高。因此，冷凝水的回收对提高能源利用率、节约燃料、减 少锅炉给水的处理费用和锅炉排污热量损失等都重要的意义1 3 1 。 1 2 1 国内研究动态 在我国，冷凝水回收技术的发展较晚，许多企业对蒸汽冷凝水的回收和利用处于 比较粗放的状态。近年来，随着节能工作的深入开展，各地对蒸汽冷凝水的回收开始 有所重视，但由于地区差异和管理理念及检测手段的落后，冷凝水的回收利用仍是较 为薄弱的环节。全国蒸汽冷凝水的回收率还很低，一般平均不到3 0 ，有的工业企事 业单位特别是中小型企业的回收率不到5 ，许多企业将冷凝水引入到一个中和冷却 池，通过自然冷却或是加入城市自来水中和冷却方式，使冷凝水的温度降低到允许排 放的温度后排放。这种方法不但没有回收冷凝水中含有的大量能量，反而给环境造成 了热污染，并且浪费大量的水资源，实在不可取1 4 1 。造成这种状况的主要原因有以下 几个方面： 1 各工业和企业的管理部门对冷凝水回收和利用没有足够的重视，单方面追求供 汽而不管回收，相关的运行和管理等方面的专业技术人员对冷凝水性质的理解不够深 入，加上冷凝水回收系统需要一定的资金投入，对冷凝水回收可取得巨大的经济效益 缺乏足够的认知，影响了冷凝水回收系统建设的积极性【4 1 。 2 目前，对冷凝水进行回收，还存在回收方式、工艺选择、水质监测等技术性问 题，一个不良的冷凝水回收系统会造成冷凝水管道压力升高、用汽设备积水、水锤和 腐蚀等不良后果。 3 蒸汽一冷凝水系统长时间运行后，由于热应力、水击和空气等因素造成的设备腐 蚀和泄露，使得冷凝水被杂质、铁锈等污染。我们知道，冷凝水回收的最好途径是直 2 基于组态软件的冷凝水i 口1 收j 瓶测控制系统研究第1 章引苦 接作为锅炉的补给水。但是对于存在污染风险的蒸汽冷凝水系统，回收的冷凝水是 否能够作为锅炉补给水，是存在不确定因素的，换句话说，如果把不合格的冷凝水错 误地回收到锅炉给水中，将会造成锅炉运行不稳、腐蚀甚至爆炸【5 】，这也给冷凝水回 收利用带来了风险。 1 2 2 国外研究动态 现在，国外都采用闭式回收系统，高温冷凝水经回收装置直接泵入锅炉，作为锅 炉的补充水。其特点是利用喷射泵增压原理来防止离心泵在泵送高温饱和水时的汽蚀 问题。国外现有两种冷凝水的输送方式：一种是气输送泵( 英国的斯派莎克和美国的 阿姆斯壮) 用高压气体( 蒸气或压缩空气) ，将冷凝水压出；另一种是在离心泵前加装一 水喷射泵，提高离心泵的入口压力，防止水泵汽蚀。喷射泵压送法是冷凝水回收技术 的一个发展前沿，它是利用喷射增压原理来防止离心泵在泵送高温饱和水时的汽蚀问 题。它是靠喷射器的增压对泵的进口强制加压，流入的冷凝水，一部分从泵喷出，送 到喷射器进行反复的循环，保证泵的入口压力；另一部分经压力调整阀后被泵连续压 送。使用这种泵的回收系统，冷凝水回收管直接接在回收系统中，不需要冷凝水水箱， 可以连续回收冷凝水，不同压力的冷凝水可以用不同管道来回收。冷凝水在饱和压力 下泵入锅炉，热能利用率较高。利用蒸汽冷凝水间接换热后，用于冷却塔补充水，虽 然温度稍高，但由于是软化水，仍具有很大的利用价值 6 1 。在s a l t o ns e a 地热场，运 行了三台发电设备，从这些设备出来的冷凝水主要用于冷却塔的补充水，特别是在冬 季，多余的冷凝水排放至井中，冷凝水用于农业灌溉正在试验和现场研究。冷凝水由 于含盐低，含有热和氮肥成分，通过温室和现场测试表明冷凝水比自然水更有利于植 物的生长。冷凝水在这方面正在被越来越关注。 1 3 冷凝水回收的经济效益分析 冷凝水具有很高的回收利用价值，主要体现在【7 】： 1 节省燃料。冷凝水中包含大量的热能，当蒸汽冷凝时，潜热能被传递给被加热 的介质，显热仍存留在冷凝水中，回收冷凝水可以回收这部分的能量。 2 节省水费。我们知道，蒸汽只是水的一种气相状态，相变过程中，质量是不会 发生变化的，锅炉的补水量和蒸汽产量是相当的，如果不对蒸汽冷凝后的水进行回收， 不仅增加了水的使用费用，同时也会对环境造成污染。 3 第l 章引言基于组态软件的冷凝水同收与监测控制系统研究 3 节省水处理费。没有被污染的冷凝水是十分纯净的，是理想的锅炉补给水，而 市政自来水的水质通常达不到锅炉给水的标准，需要进行水质处理，如果回收冷凝水， 则可以节约这部分的水处理费。 4 如果冷凝水作为废水排放，不但需要花费冷却的费用，还要支付废水排放的费 用【6 1 。 下面通过一则计算，对冷凝水回收的经济效益进行分析。假设冷凝水回收温度为 9 0 0 c ( 闭式回收系统的冷凝水温度要高于该值) ，锅炉补给冷水温度为2 0 。c ，则将1 千克的锅炉补给水从2 0 0 c 升高至9 0 0 c ，所需能量为： l 堙( 9 0 一2 0 ) 。c x 4 1 8 6 8 k j 堙。c = 2 9 3 k j 堙 ( 卜1 ) 假设工厂的蒸汽消耗量为l t h r ，则对应能量为： 2 9 3 k j 堙xl t h rx1 0 0 0 k g t = 2 9 3 0 0 0 k j h r ( 卜2 ) ( 1 ) 燃料费用 l 升燃油的热量约为4 1 ，1 0 0 k j ，当锅炉效率为8 0 时，产生l t h r 的9 0 0 c 的高 温水所需要的燃油量为： 2 9 3 0 0 0 k j h r ( 4 11 0 0 k j l x 8 0 ) = 8 9 l h r ( 1 3 ) 工厂按每天运行2 4 小时，每年工作3 0 0 天，每年加热锅炉补给水所需燃油为： 8 9 l h r x2 4 h r d x 3 0 0 d y = 6 4 0 8 0 l( 1 4 ) 燃油费按照4 元升计，则每年节约的燃油费用为： 4 c y l x 6 4 0 8 0 l y = 2 5 6 3 2 0 c n y 】，( 1 5 ) ( 2 ) 水的费用 回收的冷凝水量为： l f h r x 2 4 h r d 3 0 0 d y = 7 2 0 0 t y( 1 6 ) 水费按照2 元吨计，则一年可以节省的水费为： 2 c n y t x 7 2 0 0 t y = 1 4 4 0 0 c n y y( 1 7 ) 3 水处理费用 如果冷凝水没有被回收，则需要补充经过处理的水给锅炉，处理费用按照l 元 吨计，则一年可以节省的水处理费为： i c n y t 7 2 0 0 t y ：7 2 0 0 c n y y( 1 8 ) 4 媾于组态软件的冷凝水l 口】收j 监测控制系统研究第1 章- , j i 寄 在不计算其它费用( 排污费，冷却费等) 的前提下，回收l t h r 的冷凝水，每年 可以节省的费用为： 2 5 6 3 2 0 c 人y + 1 4 4 0 0 c ? v y y + 7 2 0 0 c y y = 2 7 7 9 2 0 c | r y 】，( 1 - 9 ) 毫无疑问，回收的经济效益是相当巨大的。当然，从中我们也可以看出，燃料费 用，即能量的回收占总回收的9 0 以上。 1 4 开发组态在线监控系统的目的和意义 通过上面的分析我们可以看出，对冷凝水进行回收可以带来巨大的经济效益，但 是由于蒸汽冷凝水系统的特殊性，如果回收方式不科学，监控不到位，问题处理不 及时，不仅无法带来上述的经济效益，还可能影响生产制程的正常运行，甚至造成锅 炉的破坏，因此需要开发一套系统来对其进行实时监控并进行数据的记录、分析和管 理。 1 蒸汽冷凝水系统是高温高压系统，许多工业现场环境比较差，尤其在夏季， 有蒸汽冷凝水系统系统存在的地方通常像是一个“桑拿房”，工程人员多不愿前往检 查，对系统存在的问题也就无法及时发现和处理，而监控系统能实时反映现场状况， 且界面友好，使得操作人员及能时发现故障点，并可通过对历史相关信息的调研，做 出正确的判断和处置。而且传统的回收装置，缺少必要的监测和数据信息，对于故障 类型、超标程度以及故障原因等信息，操作人员是无法及时得知的，需要多次往返现 场和控制室进行实验和检测，效率十分低，往往错过了最佳处理时机，导致更大问题 的产生。 2 监控系统实现了历史数据的记录。工程人员可以通过调看被监控对象的历史数 据表或曲线图，进行数据分析，并作出应对之策，防大患于未然。比如当检测到电导 率值有逐渐增高的趋势，那么就需要对锅炉的运行状况进行检测，同时还要检测各制 程是否存在设备泄露，对整个系统可能存在的腐蚀性要提前评估，必要时进行彻底检 查，如果缺少历史报表或曲线图等数据支持的话，是无法做出上述判断和决策的。 3 组态监控软件可以对不同级别的人员赋予不同的权限，有效防止了误操作。对 何人在何时做了何种操作，都有历史记录，增强了系统的稳定性、可追溯性和安全性。 4 组态监控软件还可以进行网上发布。随着网络技术的发展，管理人员即使出差 在外，也能对系统的运行情况实时监控，只需要通过输入网址和授权的用户名和密码， 5 第t 章 引言基于纽态软件的冷凝水回收与监测控制系统研究 就可以查看甚至远程操控系统，也可调用需要的历史数据，可以更加高效地处理系统 异常，也可为公司决策提供及时和准确的数据支持。 1 5 本课题研究内容 本选题主要设想是对冷凝水回收系统进行改良设计，并结合组态软件，对整套系 统实行在线实时监测，完成监控画面设计和后台命令的编写。具体研究内容： 1 回收冷凝水的经济效益分析 2 回收冷凝水水质的监测的意义和监测对象选择 3 冷凝水回收方式的选择和优化 4 冷凝水回收系统的流程设计 5 构建监控系统的总体结构，研究系统的硬件结构 6 p l c 系统设计及i o 的分配 7 各界面的设计j 以及动画连接的构建 8 完成重要故障报警和历史曲线等设计 9 完成传感器信息的报表设计 l o 后台命令的编写 1 1 w e b 发布和远程监控的实现 主要解决的关键问题： 1 冷凝水回收方式的选择和优化 2 冷凝水回收系统的流程设计 3 p l c 系统的设计与i o 分配 4 监控画面的动画连接及后台命令程序设计 5 重要故障报警和历史曲线等设计 6 w e b 发布和远程监控的实现 6 基于组态软件的冷凝水| 口l 收j j l i 测控制系统研究第2 章冷凝水的特点和同收原理 第2 章冷凝水的特点和回收原理 通过对冷凝水回收的经济效益进行分析，可以加强企业管理者对冷凝水回收和利 用的重视程度和支持力度，但是，回收的冷凝水能否直接作为锅炉的补给水，对冷凝 水进行回收是否会增加冷凝水管道的背压，进而影响生产工艺的正常疏水，甚至影响 换热设备的使用寿命。下面分别对这两部分内容进行阐述。 2 1 冷凝水的基本性质 在工业生产中，经常需要进行热交换以达到特定的工艺目的，而水和蒸汽是工业 生产中最常用的热载体。我们知道，物质都有一定的载热能力，对于水来说，在一个 标准大气压下，l 千克的水每升高l o c ，可以吸收的热量约为4 1 9 k j ，即水的比热容 c p 是4 1 9 k j ( k g 。c ) ，1 千克o o c 的水吸收4 1 9 k j 的热量后，温度就上升到1 0 0 。c 8 1 ( 此时的水也称为饱和水。所谓饱和水是指，在一定压力下，水的温度达到汽一液分界 点，比如，在标准大气压下，1 0 0 0 c 的水就是饱和水，9 9 0 c 的就是未饱和水，也称 为过冷水) 。继续给饱和水进行加热，其温度不再变化，加入的热量全部转化到蒸汽 当中，在标准大气压下，1 千克的饱和水可以再吸收2 2 5 7 k j 的热量，成为饱和蒸汽。 在热力学中，这两部分热量被分别称为液态焓( 显热) 和蒸发焓( 潜热) ，液态焓和 蒸发焓的和称为总焓，在标准大气压下，1 千克饱和蒸汽的总焓为2 6 7 6 k j 。对饱和蒸 汽继续定压加热，则饱和蒸汽就会变成过热蒸汽，过热蒸汽的内容可参阅相关资料， 不在本文论述范围。图2 1 为大气压力下水蒸汽产生过程示意图，饱和蒸汽一般由锅 炉产生，可分为两个阶段：一是常温水的定压吸热，每1 千克不饱和水吸收4 1 9 k j 的热量后被加热到饱和水；二是水的定温汽化过程，每l 千克的饱和水等温吸收 2 2 5 7 k j 的热量变成干饱和蒸汽，在变成干饱和蒸汽的过程中，蒸汽的含水量，即湿 度，不断降低，直到蒸汽中不含有液态水，此时的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽1 9 1 。 7 第2 章冷凝水的特点和回收原理 基于组态软件的冷凝水刚收与监测控制系统研究 图2 1 大气压力下水蒸汽产生过程示意图 表2 1 是在不同压力下，水蒸汽所对应的焓值，从中可以看出，随着压力的升高， 饱和水中所包含的液态焓是随之增加的，那么在工业应用中，蒸汽换热后变成等压力 下的冷凝水，质量；f 会发生变化，即l 千克的蒸汽对应1 千克的冷凝水，且放出的是 该压力下的蒸发焓，液态焓仍保留在冷水中，其压力越高，冷凝水中所包含的热能， 即液态焓也就越高1 9 1 。 表2 1 蒸汽一冷凝水所对应的焓值k j k s 表压 温度 液态焓蒸发焓蒸汽总焓饱和干蒸汽比容 b a r - g o c 沁)协。)m 3 k g 01 0 04 1 92 2 5 7 2 6 7 61 6 7 3 l1 2 05 0 62 2 0 12 7 0 70 8 8 l 21 3 45 6 22 1 6 3 2 7 2 5 0 6 0 3 31 4 46 0 52 1 3 3 2 7 3 8o 4 6 1 41 5 26 7 l2 1 0 82 7 4 90 3 7 4 51 5 96 4 12 0 8 6 2 7 5 7 0 3 1 5 61 6 56 9 7 2 0 6 62 7 6 30 2 7 2 71 7 07 2 l2 0 4 82 7 6 90 2 4 图2 2 表示的是饱和水蒸汽温度和压力之间关系的曲线，从该曲线我们可以看 出，饱和的水和的蒸汽与温度是一一对应的，即在o b a rg 压力下，对应的饱和蒸汽 温度是1 0 0 摄氏度，而在1 b a rg 压力下，对应的饱和蒸汽温度是1 2 0 摄氏度，而不 会是其它温度。 8 基于组态软件的冷凝水州收j 监测控制系统研究第2 章冷凝水的特点和| 口i 收原理 p 型 髓 4 0 0 3 0 0 0 1 0 0 5 0 o f f l t j ( b a rg ) 图2 2 饱和水一蒸汽温度和压力关系曲线 由于饱和的水具有压力和温度一一对应的特点，当高压的饱和水压力下降时，便 会有蒸汽“闪蒸 出来。闪蒸的原理可以结合表2 1 加以分析，比如在6 b a rg 压力 下，饱和水对应的温度是1 6 5 摄氏度，l k g 水所能携带的最大热量( 即饱和状态下的 液态焓) 是6 9 7 k j ，当其压力下降至5 b a rg 时，l k g 水所能携带的最大热量是6 4 1 k j ， 于是便有5 6 k j 的热量多余出来，根据能量守恒定律，这部分能量不会凭空消失，而 是通过使水汽化的形式，转移到蒸汽当中。需要说明的是，闪蒸蒸汽或者说二次蒸汽 也是热量的载体，同样可以用于工业制成，同锅炉产生的直接蒸汽没有差别。 2 2 冷凝水的品质 蒸汽通过用汽设备，放出蒸发焓后变为冷凝水，理论上，纯蒸汽对应的应该是有 良好品质的洁净水，但在实际使用中，冷凝水往往受到各种原因的污染，具有不同的 品质，常见的污染原因如下【1 0 】： 1 在蒸汽的输送、使用和冷凝水的回收过程中，用汽设备和输送管路中的焊渣、 垃圾、铁锈等污染了冷凝水。 2 锅炉水中含有的杂质，包括锅炉给水中未除尽的溶解氧和二氧化碳，以及碳酸 盐、有机酸和添加的各类药剂等物质，由于受热分解气化，或者由于锅炉液位控制波 动等原因导致的“汽水共腾”，使得上述物质随蒸汽一起进入管路，并随着蒸汽的冷 凝溶解在冷凝水中；另外，如果采用开式回收系统，冷凝水和空气接触，空气中的氧 气和二氧化碳也会溶入冷凝水中，并且加剧冷凝水管道的腐蚀。 3 用汽设备的泄露可使被加热介质中的悬浮物和盐类等污染物进入冷凝水中。 由于上述原因，一般工业制程中的冷凝水中不仅含有各种盐类物质( 离子状态) ， 还可能含有各种颗粒态、悬浮态和胶态的金属腐蚀产物，以及溶解氧、二氧化碳等杂 9 第2 章冷凝水的特点和回收原理基于组态软件的冷凝水州收j 监测控制系统研究 质。锅炉对给水的质量要求，是随着所用锅炉的参数和类型的不同而有所不同。表 2 2 是工业锅炉给水的水质标准g b t1 5 7 6 2 0 0 8 摘录。 表2 2 工业锅炉给水的水质标准g b t1 5 7 6 - - 2 0 0 8 ) 摘录 额定蒸汽压力 项 ( m p a ) p 1 0 1 o p 1 6 1 6 p 2 。52 5 p 3 8 目 补给水类型软化水 除盐水 软化除盐 软化除盐软化 水水水 水_ = d 除盐水 浊度( f t u ) 5 02 05 02 05 o2 o5 02 0 硬度( r e t o o l l ) 5 。o5 0 0 0 3 00 0 3 00 0 3 0 0 0 3 0 0 0 3 00 0 3 0 1 0 1x1 0 。3 7 0 - - - 9 8 o 9 7 0 9 8 0 - 9 7 5 9 p h 值( 2 5 。c ) 7 o 一9 08 0 - - 9 58 o 9 5 o505o 给 水溶解氧( m l ) 0 1 00 1 0 o 1 00 0 5 00 0 5 00 0 5 00 0 5 00 0 5 0 油( m g l ) 2 02 02 02 02 02 02 o2 0 全铁( m g l ) 0 3 0o 3 0o 1 0 0 1 0 o 3 00 3 00 3 0 0 1 0 电导率 5 51 15 01 03 5 ( 2 5 。c x l t s c m ) 1 0 2 1 0 2 1 0 2 1 0 21 0 2 8 0 0 从中可以看出，对于中低压工业锅炉，需要控制的给水参数主要有浊度、硬度、 p h 值、溶解氧、油、全铁和电导率。而对于回收冷凝水作为锅炉补水，由于其相对 封闭，其浊度、硬度、含油量等基本不会超标，在实际工业生产中，主要监测的对象 是电导率。当然，各企业也可根据自身工艺情况，结合水质情况，有选择的监测冷凝 水中各种指标。 2 2 1 冷凝水的腐蚀性 根据我国现行的工业锅炉给水的水质标准 g b t1 5 7 卜2 0 0 8 的要求，蒸汽锅 炉给水p h 均需大于7 ，锅水为1 0 - - - 1 2 之间。锅炉水在溶解氧很低的条件下，可以按下 列反应在金属表面就能形成一层致密的凡3 d 4 保护膜【1 0 l1 1 1 】。 f e + 2 h 2 0jf e ( o h ) 2 + h 2t ( 2 一1 ) 2 f e + f e ( o h ) 2 + 2 h 2 0 专f e 3 0 4 + 3 h 2 个 ( 2 2 ) 保护膜形成后，钢材将不再受到腐蚀，当p h 偏低时，保护膜无法形成，当p h 过高 l o 基于组态软件的冷凝水| 口1 收j 舱测控制系统研究第2 章冷凝水的特点和【口l 收原理 时，形成的氧化铁层易于变厚而破碎，因此规定锅水p h 值在1 1 1 2 ( 2 5 0 c 时) 之间， 用以保证锅炉的安全运行。但由于各种因素的影响造成锅炉炉水的p h 值偏高或偏低， 这给锅炉设备的安全运行造成危害，必须加以防范。 冷凝水回收管道的金属腐蚀主要是因为蒸汽冷凝水系统中的c 0 2 及0 ，所引起 的。冷凝水中的c o ，主要来自锅炉补给水、锅炉内碳酸敖的分解以及冷凝水回收过程 中大气的溶入。锅炉内碳酸盐类物质c 0 3 2 。和h c o ，一，部分分解放出c o ：过程如下： 2 日c o ；一c 0 2 个+ h 2 d + c - d ；一 ( 2 3 ) c o s 2 一+ h ，0 一c 0 ，个+ 2 明一 ( 2 4 ) c o ，被蒸汽带出锅炉，随蒸汽一起经管路送至用热设备，蒸汽换热后产生的冷凝 水中就有了游离c 0 2 存在，c 0 2 会使冷凝水和湿蒸汽呈酸性，水中c o ，虽然只显弱酸 性，但由于蒸汽一般都比较纯净，冷凝水的缓冲性很小，少量的c 0 2 就会使其p h 值显 著降低。如当每升纯水中溶有1 愕的! 时，水的p h 值便可由7 0 降至5 5 左右。值得 注意的是，弱酸的酸性不能单凭p h 值来衡量，因为弱酸只有一部分电离，随着腐蚀的 进行，消耗掉的氢离子会被弱酸继续电离所补充。 c 0 2 + 日2 d h + + h c 0 3 一 ( 2 5 ) 大量现场检测数据表明，蒸汽通过换热后冷凝水p h 值一般为5 5 6 0 。游离c 0 2 的 腐蚀性受温度影响较大，当冷凝水温度高时，碳酸的电离度增大，会大大促进腐蚀， 钢材受c 0 2 腐蚀而生成的腐蚀产物是可溶的，在金属表面不易形成保护膜，它的腐蚀 特点是使金属减薄，产生铁的腐蚀物。 2 h 2 c 0 3 + f e f e ( h c 0 3 ) 2 + 2 ( 2 6 ) 金属腐蚀速度取决于p h 、c d ：和0 2 的浓度，当p h 6 时，碳钢在冷凝水中腐 蚀速度与碳酸浓度成正比，p h 值较低时腐蚀产物可溶解，从而使冷凝水被大量铁离 子污染。c d ，使水呈微酸性破坏管路保护膜，如果此时冷凝水中没有溶解氧或含量极 低，则腐蚀是均匀腐蚀，随着c o ，浓度的降低而减弱；但是，随着溶解氧浓度的增加 钢管的腐蚀速度会被加快，产生的结果是冷凝水中铁含量增大，呈砖红色，严重时可 导致钢管穿孔。其反应过程如下： f e ( h c 0 3 ) 2 - - - hf e ( o h ) 2 + c 0 2 个 ( 2 7 ) 第2 章冷凝水的特点和同收原理 基于组态软件的冷凝水回收j 监测控制系统研究 4 f e ( o h ) 2 + 2 h 2 0 + 0 2 4 f e ( o n ) 3 山 ( 2 8 ) 2 f e ( o h ) ，一f e 2 0 3 + 3 h 2 0 ( 2 9 ) 通过上面分析可以得出，冷凝水的腐蚀性主要取决于冷凝水的p h 值( 主要受c 0 2 的浓度影响) 、c 0 2 和q 的浓度，因此，为了尽量降低冷凝水对管道、阀门和设备 的腐蚀，可采取以下措施： 1 降低冷凝水中的c 0 2 和d 浓度，如采用闭式冷凝水回收系统进行回收，减少 回收过程中c 0 2 和d 的溶入。 2 通过对冷凝水回收系统进行药物处理的方法，提高冷凝水的p h 值，防止金属酸 腐蚀和形成缓蚀保护膜。 3 冷凝水回收系统管道采用不锈钢管道，可有效防止c 0 2 和d 腐蚀。 2 2 2 回收被污染冷凝水的危害 被污染的冷凝水一旦进入锅炉，就会发生如下现象i a l ： 1 杂质( 如铁离子) 在锅炉的传热面发生沉淀。并引发传热效率差、腐蚀和金属 失效。 2 腐蚀物质浓缩。锅炉给水中极微量的杂质在锅炉局部可以浓缩到1 0 5 倍，形成 高度腐蚀性的溶液，从而使锅炉腐蚀程度大大增加，最终导致锅炉金属失效甚至爆炸。 2 2 3 冷凝水的电导率 冷凝水的电导率是衡量水质的一个很重要的指标，因为它能反映出水中存在的各 种酸、碱、盐类电解质在溶液中解离成带正、负电荷的离子浓度的大小。水溶液的导 电程度不同，那么水中电解质的浓度也不同。通过测定水溶液的电导率来分析电解质 在水溶解中的浓度，这就是电导测量仪最基本的应用。锅炉补水中的各种电解质超标 会使锅炉本体及蒸汽系统发生金属腐蚀和局部污染物沉积，降低了锅炉的热效率，燃 料消耗增大，导致锅水品质变差；污染物的沉积还会造成浓缩腐蚀和电化学腐蚀，腐 蚀严重时会造成炉管过热爆管，应该采取充分的措施以便能够快速的检测并消除危 害。由于没有受到污染的蒸汽冷凝水的电导率很低，而电导率的检测手段比较简单， 而且结果准确直观，因此在冷凝水回收系统中是最佳的监控指标。下表2 3 为中性溶 液中电导率和总溶解固体( t d s ) 关系l ”i 。 1 2 基于组态软件的冷凝水口1 收j 临测控制系统研究第2 章冷凝水的特点和i 口1 收原理 表2 3 中性溶液中电导率和总溶解固体( t d s ) 关系 电导率t d s电导率t d s电导率t d s电导率t d s 微姆厘米 r a g 1 微姆厘米 r a g 1 微姆厘米 r a g 1