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50年代前的產品，其水質標準[2]一直遵循當時的前蘇聯標準。由于當時水質標準較低，鍋爐水鹽度較高，直接導致其主鍋爐過熱器內部腐蝕嚴重。據統計，該主鍋爐過熱器管子的設計壽命為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，在廠修理時間也大大延長，增加了相關的維修費用。

為減少過熱器內部的腐蝕，提高鍋爐過熱器管子的壽命，減少維修費用，需切實降低鍋爐水的鹽度。為此，本文在現行水質標準的基礎上，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想

2.1 鍋爐水質的影響因素

該型裝置的鍋爐水水質決定于給水水質及鍋爐的排污程度，其中給水水質是關鍵。裝置運行中，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給水和造水機提供的爐水的混合水，它們的水質決定了給水水質。

2.1.1凝水水質分析

主冷凝器凝水水質與主冷凝器的氣密性、內部脹管處的緊密性和廢汽的含鹽量有關，主冷凝器出現滲漏(凝水側漏進海水)及蒸汽攜帶鍋水都將改變凝水的水質。裝置中間負荷(航速24 kn)時鍋水Cl-標準為80～167 mg/L，假設中間負荷時蒸汽濕度為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,由廢汽帶進主冷凝器的Cl-可忽略不計。由此可認為,主冷凝器凝水中的Cl-主要因漏進海水所致。

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。條例規定經濟航速(14 kn)時凝水中Cl-的極限值為6 mg/L，6 mg Cl-相當于0.316 g海水中的Cl-含量,也就是在1 L凝水中漏進了0.316 g的海水,使得凝水中的Cl-量達到6 mg/L,其對應的總含鹽量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。

條例同時規定裝置全航速(36 kn)時凝水中Cl-的極限值為3 mg/L，同理可知全航速時凝水總含鹽量Cn為5.45 mg NaCl/L(0.093 me/L)。在經濟航速(14 kn)和全航速(36 kn)間進行線性插值，得到裝置中間負荷(航速24 kn)時的凝水總含鹽量Cn為8.2 mg NaCl/L(0.14 me/l)。

2.1.2造水機出水水質分析

造水機利用廢汽將海水加熱，產生的蒸汽冷凝后變成符合要求的爐水，造水機24 h造水量Gz為50 t(約2 t/h)。條例規定造水機的出水指標為Cl-≤6 mg/L，這可近似認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軟水站補給水水質分析

軟水站補給水現行水質指標為：鹽度(Cl-)≤6 mg/L、硬度(Ca2+)≤0.036 me/L、堿度(HCO-3)≤0.072 me/L，這一指標相當于補給水中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碼頭軟水站的調查得知，部分軟水站已經得到改造，軟水電導率為0.1～1 μs/cm,折合總含鹽量約為0.03～0.5 mg NaCl/L，水質存在小范圍波動是因軟水站離子交換樹脂隨工作時間的延長，交換能力會有所下降以及軟水在儲水池儲存一段時間后吸收潮濕空氣所致，但即使如此實際水質已遠遠高于原給水標準。

2.2 加裝除鹽裝置的新構想

根據以上分析，鍋爐給水的水質關鍵在主冷凝器的凝水水質和造水機的補給水水質。如想在現行水質標準的基礎上改善給水水質,可從兩個方面著手，一方面提高主冷凝器的凝水水質，另一方面提高造水機出水水質，有效方法是在凝給水系統與造水機系統中各增設1臺除鹽裝置,對主冷凝器冷凝水與造水機出水作除鹽處理。如圖1所示，在原有凝給水系統基礎上，在冷凝水出口處加裝除鹽裝置1，在造水機后加裝除鹽裝置2。

圖1 裝置凝給水系統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 裝置凝給水系統內的汽水分配

考慮該型船常用工況為24 kn航速，除鹽裝置的設計以24 kn為工作負荷。裝置中2臺鍋爐單位時間總產汽量(也是總給水量)為38 t/h，在此負荷下循環系統內的汽水分配見圖2。

圖2 裝置凝給水系統內的汽水分配圖

如圖2所示，中間負荷時主機耗汽量為22.8 t/h，凝汽式輔機廢汽總量為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，總量約為7.88 t/h。由于供給造水機的廢汽不是直接進入凝給水系統，為保持循環回路中的汽水平衡，裝置在中間負荷下須從日用水柜將7.88 t/h直接補充到主冷凝器,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

從該型裝置機爐艙現場測量發現，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，由于單位時間進入交換器的凝水量較大，勢必導致交換器運行周期過短，交換劑須頻繁再生，所以想通過在凝水系統中增設1臺除鹽裝置以提高凝水水質，實現難度可能較大。

3.3 造水機后加裝除鹽裝置的可行性分析

通過對該型船輔機艙的現場勘察，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。安裝時該除鹽裝置串聯在造水機至備用水柜的管路上(圖1)。從中間負荷時循環系統內的汽水分配可以看出，補水量占鍋爐總給水量的1/5，若在造水機后增設這臺除鹽裝置,可通過提高補水水質達到部分改善給水水質的目的。

4 除鹽裝置的設計和加裝后的水質分析

4.1 除鹽裝置的選型和設計計算

通過對工業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，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，水質基本和軟水站提供的軟水一致。

設計計算結果如下：

1) 除鹽裝置基本參數

直徑D= 0.8 m；

離子交換器面積FJ=πD2/4 = 0.5 m2；

離子交換器內流速VJ=Gz/FJ= 2/0.5 = 4.0 m/h。

2) 陽離子交換樹脂設計參數

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) 陰離子交換樹脂設計參數

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；

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

4) 離子交換器內流動阻力

離子交換器內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]。假設造水機后冷凝水溫度取40℃，交換器內流動阻力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分析

由汽水分配圖(圖2)可知，運行中循環回路的7.88 t/h補水來自日用水柜，而日用水柜的水可視為軟水站提供的軟水與造水機所造水按1：1比例的混合水。假設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，在造水機出口加裝除鹽裝置后，日用水柜混合水的水質可以提高近50倍。考慮冷凝器凝水總量為34.58 t/h， 中間負荷時凝水總含鹽量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%,水質提高明顯。

5 結 論

1) 為提高某型船用蒸汽動力裝置的爐水品質，可在凝給水系統中的冷凝器出水口和造水機出口處加裝除鹽裝置。受該型裝置機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；在造水機出口處加裝除鹽裝置具有可行性。

2) 對造水機后加裝除鹽裝置進行選型和設計計算表明：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，相當于可連續工作1個月，可完全滿足該型船的近海遠航要求；除鹽裝置運行時流速很小，流阻僅為0.56 m水柱，技術上不影響造水機輸送泵的正常工作；除鹽裝置可使日用水柜水質提高近50倍，冷凝器后凝水總含鹽量下降22%，水質提高明顯，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，2006.

[2] 鍋爐水質分析[G].武漢：海軍工程學院化學教研室，1983.

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

[4] 許保玖，安鼎年.給水處理·理論與設計[M].北京：中國建筑工業出版社，1992.

[5] 華東建筑設計研究院.給水排水設計手冊第四冊：工業給水處理[M].北京：中國建筑工業出版社,2002.