مياه تغذية المراجل: الشروط وطرق التحضير

يمكن للمرجل البخاري أن يعمل سنوات دون مشكلات، ويمكن أن يوقف الإنتاج بتوقّف مفاجئ؛ والفارق بين الحالتين يحدّده في الغالب عامل واحد: جودة المياه. فالمياه غير المعالَجة تُنتج داخل المرجل أولًا الترسبات الكلسية التي تغطّي أسطح انتقال الحرارة، ثم التآكل الذي ينخر المعدن. والنتيجة: ارتفاع استهلاك الوقود، وانخفاض الكفاءة، وصيانة متكررة، وتوقفات غير مخطط لها. لهذا السبب تحديدًا تُعدّ مياه تغذية المراجل مسألة هندسية حرجة لا ينبغي إغفالها في المنشآت الصناعية.

حتى طبقة من الترسبات الكلسية لا يتجاوز سمكها بضعة مليمترات تخفض انتقال الحرارة بصورة جدّية وترفع كلفة الوقود؛ أما التآكل فيقصّر عمر المعدات عبر ترقيق جدران الأنابيب وثقبها. وفي هذا الدليل نتناول الضرر الذي تُحدثه المياه غير المعالَجة داخل المرجل، والمعايير التي يجب ضبطها، ومراحل تحضير المياه الصحيحة، ضمن إطار تقني لكنه واضح ومفهوم.

ما هي مياه تغذية المراجل؟

مياه تغذية المراجل هي المياه التي تُغذَّى بها المراجل البخارية لتحلّ محل المياه التي استُهلكت بالتبخّر. وتتكوّن عادةً من مزيج بين مياه المكثّفات العائدة ومياه التعويض الطازجة. وللحفاظ على سلامة المرجل يجب أن تكون معالَجة من حيث عسر الماء والأكسجين المذاب والمحتوى المعدني.

عمليًا تتألف مياه تغذية المراجل من مكوّنين: مياه المكثّفات العائدة من دورة البخار وهي نظيفة نسبيًا، ومياه التعويض الخام (make-up) التي تسدّ الفاقد في المنظومة. وبما أن جودة مياه التعويض مرتبطة مباشرةً بمصدرها من الشبكة أو من مياه الآبار، فإن معالجتها قبل دخول المرجل أمر لا غنى عنه. وإلا فإن مكوّنات عسر الماء والغازات الذائبة والمعادن الموجودة في المياه تتراكم داخل المرجل فتهدّد الكفاءة والسلامة التشغيلية معًا.

ماذا تفعل المياه غير المعالَجة بالمرجل؟ الترسبات الكلسية والتآكل

تسبّب المياه غير المعالَجة ضررين أساسيين داخل المرجل: الترسبات الكلسية والتآكل. فالكالسيوم والمغنيسيوم في المياه يترسّبان بفعل الحرارة ويكوّنان على أسطح التسخين طبقة كلسية عازلة؛ أما الأكسجين المذاب فيُحدث على سطح المعدن تنقّرًا (pitting) قد يصل إلى ثقب الجدار. وكلاهما يخفض الكفاءة والسلامة.

تغطّي الترسبات الكلسية سطح انتقال الحرارة كما يغطّيه غطاء عازل. وبما أن هذه الطبقة تمنع انتقال الحرارة إلى المياه، يحرق المرجل وقودًا أكبر لإنتاج الكمية نفسها من البخار؛ أي أن كل مليمتر من الترسبات ينعكس مباشرةً على فاتورة الوقود. يُضاف إلى ذلك أن نقاط المعدن التي تفرط في السخونة ترفع خطر الإجهاد الموضعي والضرر.

أما التآكل فأشدّ خفاءً. إذ يبدأ الأكسجين المذاب ودرجة الحموضة غير المناسبة تآكلًا كهروكيميائيًا على سطح المعدن. وعلى وجه الخصوص فإن تآكل الأكسجين المذاب يفتح في جدار الأنبوب حفرًا صغيرة لكنها عميقة، وقد يؤدي إلى ثقبه دون أن يظهر أي نقص واضح في السماكة. وكثيرًا ما تتقدّم الترسبات الكلسية والتآكل معًا فتتضاعف كلفة الصيانة ومدة التوقف.

الصورة 1: أثر الترسبات الكلسية والتآكل على سطح التسخين في مياه تغذية المراجل

المعايير التي تُراقَب في مياه تغذية المراجل

أهم معايير مياه تغذية المراجل هي عسر الماء والأكسجين المذاب ودرجة الحموضة (pH) والناقلية/المواد الصلبة الذائبة والسيليكا والحديد. وهذه القيم حاسمة بصورة مباشرة من حيث الترسبات الكلسية والتآكل وجودة البخار. وتتغيّر النطاقات المستهدفة بحسب فئة ضغط المرجل؛ فكلما ارتفع الضغط تشدّدت المتطلبات بوضوح.

يشدّد صانعو المراجل أنفسهم على أهمية كيمياء مياه المرجل؛ فعلى سبيل المثال يذكر مرجع Babcock & Wilcox حول كيمياء مياه المرجل والبخار أن مياه التغذية يجب أن تكون على الأقل مليّنة في الضغط المنخفض ومنزوعة المعادن في الضغط المرتفع، وخالية من الأكسجين ومن مكوّنات عسر الماء. ويلخّص الجدول التالي المعايير الأساسية الواجب متابعتها:

هذه المعايير ليست مستقلة بعضها عن بعض؛ فخروج أحدها عن السيطرة ينعكس على البقية. ولذلك لا تقوم شروط مياه تغذية المراجل على قيمة واحدة، بل على فهم متكامل للتوازن.

التحكم في عسر الماء والترسبات الكلسية

ضبط عسر الماء هو الخطوة الأولى لمنع الترسبات الكلسية. ويُزال الكالسيوم والمغنيسيوم من المياه بأنظمة تليين المياه العاملة بمبدأ التبادل الأيوني. وفي كثير من المراجل منخفضة الضغط تُعدّ المياه المليّنة متطلبًا أساسيًا؛ فإن لم يُزَل العسر تراكمت الترسبات الكلسية حتمًا على أسطح التسخين.

على النطاق الصناعي تجري إزالة العسر عادةً بأنظمة تبادل أيوني عالية السعة. وعند ضبط عسر مياه المرجل تُمنع الترسبات الكلسية ويقلّ في الوقت نفسه الحمل على المراحل اللاحقة (التناضح العكسي وجهاز نزع الغازات). ولهذا الغرض تمثّل أنظمة تليين المياه الصناعية حجر الأساس في استراتيجية حماية المرجل.

وفي بعض المنشآت قد تُطرح مقاربات مختلفة بحسب خصائص مياه المصدر وتفضيلات التشغيل. ويمكن كذلك تقييم حلول معالجة الترسبات الكلسية من النوع الصناعي بوصفها تركيبات بديلة في مواجهة العسر. أما تحديد الطريقة المناسبة فيجب أن يتم بالاستناد إلى تحليل المياه الخام وظروف تشغيل المرجل معًا.

الأكسجين المذاب ومنع التآكل (نزع الغازات)

الأكسجين المذاب هو السبب الرئيسي لتآكل المراجل، ولا بدّ من إزالته فيزيائيًا من المياه. وتُسمّى هذه العملية نزع الغازات؛ إذ تطرد الأكسجين وثاني أكسيد الكربون من المنظومة عبر تسخين المياه وخفض قابلية ذوبان الغازات فيها. أما الأثر المتبقي من الأكسجين فيُربط بمواد كيميائية كاسحة للأكسجين.

يسخّن جهاز نزع الغازات مياه التغذية عادةً بتعريضها للبخار؛ ومع ارتفاع درجة الحرارة تنخفض قابلية ذوبان الغازات في المياه فيتحرّر الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ويُطردان. وهذه الإزالة الميكانيكية فعّالة إلى حدّ بعيد في منع التآكل من نوع التنقّر. ومع ذلك، ولأن كمية أثرية من الأكسجين قد تبقى في المياه، تُعادَل هذه البقية عبر المعالجة الكيميائية.

الحاجة إلى نزع المعادن في المراجل عالية الضغط

في المراجل عالية الضغط لا يكفي التليين وحده؛ إذ يجب أيضًا خفض حمل المعادن والناقلية في المياه. وهنا يدخل التناضح العكسي ونزع المعادن إلى الصورة. فكلما ارتفع الضغط ارتفع متطلب نقاء المياه؛ وفي أعلى الفئات تصبح المياه شبه الخالية من المعادن وذات الناقلية المنخفضة جدًا أمرًا إلزاميًا.

التليين يزيل العسر فقط، ويترك في المنظومة موادّ ذائبة أخرى مثل الصوديوم والسيليكا والكلوريد. غير أن هذه المواد تشكّل في الضغط المرتفع خطر الترسّب والانتقال مع البخار (carryover) معًا. ولذلك تُستخدم تقنية التناضح العكسي مرحلةً تمهيدية لخفض حمل المعادن دفعةً واحدة؛ ثم يُستكمل نزع المعادن بالتبادل الأيوني عند الحاجة.

وفي التطبيقات التي تتطلب أعلى درجات النقاء، تنتهي سلسلة تحضير مياه تغذية المراجل بإنتاج مياه منزوعة المعادن ونقية. ولهذا المستوى من الاحتياجات توفّر أنظمة المياه النقية منزوعة الأيونات الصناعية المياه منخفضة الناقلية التي تتطلبها المراجل عالية الضغط.

الصورة 2: خط تحضير مياه تغذية المراجل — التليين والتناضح العكسي ونزع الغازات

مراحل تحضير مياه تغذية المراجل

تحضير مياه تغذية المراجل عملية متدرّجة: ترشيح أوّلي، ثم تليين المياه، ثم التناضح العكسي أو نزع المعادن، ثم نزع الغازات، وأخيرًا المعالجة الكيميائية. وكل مرحلة تخفّف الحمل عن الخطوة السابقة وتنقل المياه الداخلة إلى المرجل خطوةً بخطوة نحو الجودة المطلوبة. أما المراحل اللازمة فتتحدد بحسب فئة الضغط.

يمرّر خط التحضير الصناعي النموذجي المياه من المصدر إلى المرجل عبر المراحل التالية:

ليست كل هذه المراحل لازمة في كل منشأة؛ ففي مرجل منخفض الضغط مثلًا يكفي في الغالب الترشيح الأوّلي والتليين ونزع الغازات والمعالجة الكيميائية، بينما تصبح مرحلة نزع المعادن إلزامية في المنظومات عالية الضغط. وتُصمَّم السلسلة الصحيحة بحسب نوع المرجل وجودة المياه الخام.

متطلبات جودة المياه بحسب فئة الضغط

يتشدّد متطلب جودة المياه بالتناسب الطردي مع فئة ضغط المرجل. ففي المراجل منخفضة الضغط ذات الأنابيب اللهبية (fire-tube) تكفي المياه المليّنة عادةً، بينما تتطلب المراجل عالية الضغط ذات الأنابيب المائية (water-tube) مياهًا منزوعة المعادن ومنخفضة الناقلية جدًا وخالية من الأكسجين. وكلما ارتفع الضغط ضاق هامش الخطأ.

وهذا التمييز من أهم المعايير التي تحدّد مراحل المعالجة اللازمة. وتلخّص المقارنة التالية المقاربة النموذجية للمياه في نوعَي المراجل الرئيسيين:

كما يتضح، لا توجد وصفة واحدة اسمها «مياه مرجل قياسية». فالتصميم الصحيح يتحدّد بتقييم ضغط المرجل وتصميمه ومتطلب نقاء البخار وجودة مياه المصدر معًا. ولهذا فإن الاستثمار في مياه تغذية المراجل ليس اختيار منتج جاهز، بل قرار هندسي خاص بكل منشأة.

الأسئلة الشائعة