循环冷却水缓释阻垢剂投加的精细化控制实践

李桂林，王延庆，王承刚，雷仲存

（1.首钢智新迁安电磁材料有限公司；2.北京首钢股份有限公司，河北迁安 064400）

引言

随着工业的发展，水资源的消耗也成为限制发展的重要因素，我国作为淡水匮乏国家，提高水资源利用率、循环使用率以及提高污水处理能力，是解决水资源缺乏的一种重要途径。由于水的化学稳定性好、热容量大、沸点较高，在大多数工业生产企业中，为了节约水资源，都建有循环水泵站，用以提高水的循环使用率。而循环冷却用水的水质要求普遍较高，特别是循环水，要求不易结垢、不易对金属设备及管道产生腐蚀、不易滋生菌藻，并且对水的硬度、浊度、浓缩倍率都有一定的要求。因此，缓释阻垢剂的投加，对结垢控制、腐蚀控制尤为重要。某公司通过多年的现场生产实践及理论分析，建立了一套缓释阻垢剂投加的精细化控制系统，实现了循环水水质稳定、安全运行，并降低了药剂成本及人员劳动强度。

1 循环水工艺介绍

循环水冷却系统分为密闭式和敞开式，某公司采用的是敞开式间接净环冷却系统，采用抽风逆流式冷却塔。

循环水系统分为一冷循环系统和二冷循环系统，一冷循环系统保有水量为8 000 m³，二冷循环系统保有水量为14 500 m³，均采用自灌式离心泵输送，单台泵的输送能力为3 800 m³/h。系统设置有一冷旁滤系统和二冷旁滤系统，过滤水量分别为各系统保有水量的5%，用以保证循环水的悬浮物能够达到水质要求，防止在长期循环使用过程中的积泥从而影响换热效率。该系统运输介质管道为碳钢材质，主要为生产线的水冷电机、液压站、换热器等需冷却设备提供冷却水换热，因此，防止管道内壁结垢和腐蚀是关系到生产设备的安全运行的问题，最终影响公司的稳定生产和成本控制。根据生产机组设备对循环水水质的要求，通常控制循环水浓缩倍率在2～2.5 之间，根据所使用的缓释阻垢剂磷含量情况，控制循环水中总磷应保持在5±2 mg/L 左右，氯根控制在60～75 mg/L。各系统净环供水池分别设置有补水管道和强制排污管道，确保新水补充和污水外排，用以控制循环水的浓缩倍率。具体工艺流程如图1。

2 改造前加药系统存在的问题

2.1 改造前浓缩倍率的控制情况

改造前对浓缩倍率的控制采取氯离子浓度控制的方法，每天对循环水进行取样化验其中氯离子的浓度，与补充新水中的氯离子浓度进行对比，得出所测循环水中的浓缩倍率，根据浓缩倍率情况进行补充新水和排放污水。浓缩倍率调整滞后，岗位操作人员需要待实验室得出浓缩倍率后，再进行补水和排水，不能直接指导现场的生产运行。

2.2 改造前的加药设备情况

改造前的加药设备系统有药剂储罐、搅拌机、计量泵、阀门组等设备，但是药剂储罐没有安装液位计，无法准确得知药剂的投加量；又因加药系统没有设置加药平台，操作空间狭窄，危险系数较高，职工操作不方便，导致加药系统一直闲置，现场采取根据经验将缓释阻垢剂从循环水池中直接倒入的方式，从而进一步导致加药量波动大。

2.3 改造前总磷数据情况

在精细化加药控制系统投入使用前，对该循环水系统的加药情况、水中含磷浓度进行了分析和跟踪，形成数据跟踪表格和曲线，见图2。明显看出水质控制存在问题，缓释阻垢剂的投加没有科学根据，虽然循环水中总磷保持在5±2 mg/L，但是峰值有超过8 mg/L的情况，而且波动较大。

2.4 存在问题的分析

通过对循环水加药系统的浓缩倍率控制情况、加药系统设备情况、水中总磷浓度控制情况等问题进行深入的分析，从表象的分析到深究其根本，发现浓缩倍率的控制、加药设备的落后以及职工的经验式投加，导致循环水水质的控制不稳定，从而对整个循环冷却系统、循环水输送管网、生产机组需冷却设备等都产生了或大或小的“慢性疾病”。特别是一些管径较细的碳钢循环水管道，尤其DN50、DN32 的管道，内壁结瘤现象明显、不断有管道发生腐蚀漏水，对生产运行及设备产生了直接的影响。

图2 改造前总磷浓度

3 精细化加药控制系统改造

3.1 系统结构

所开发的精细化加药控制系统主要由4部分构成：在线监测仪器（包括电导率在线监测装置、补水流量计、排水流量计）、数据采集通讯系统、工控机控制系统、加药系统（包括带有液位计的储罐、加药平台、加药计量泵、阀门组、加药管道等）。精细化加药控制系统结构框图见图3。

图3 精细化加药控制系统结构框图

3.2 系统功能

整个系统是一个小型计算机网络通讯管理系统，主控室HMI 作为整个系统的监控、控制和管理中心。由该中心向车间各设备采集数据并发布命令，职工通过工控机对数据采集系统采集的数据进行输入性计算，得出目前循环水的需要加药量，并进一步得出加药储罐的液位下降数据，启动加药泵，待液位下降到设定液位后，自动停泵，完成控制。

3.2.1 在线监测装置功能

在线监测装置包括了排水流量计、补水流量计、循环水池液位计、电导率监测装置。利用电导率法在线监测循环水浓缩倍率经过验证，采用电导率指标替代Cl-浓度指标测定循环浓缩倍率的方法是可行的，该方法简单、可靠，与Cl-浓度法的测定结果之间不存在显著差异[1]。分别在一冷循环水池、二冷循环水池安装电导率在线监测装置，通过数据采集通讯系统，将电导率值传输至HMI 中，并通过与补充新水的电导率对比，得出循环水的浓缩倍率，通过设置浓缩倍率控制范围(一般设定2.0～2.5之间)，一旦浓缩倍率过高，自动控制排水阀开关，控制强制排污量，并通过排水流量计将排污量传输至HMI。由于强制排污、蒸发、飘洒等因素影响，循环水不断流失，因此需要进行补充新水，通过补水流量计将补水量传输至HMI。在循环水池上设置有液位计，用于监控循环水水池液位。

3.2.2 数据传输及计算功能

在线监测装置对补水流量、排水流量、电导率等的监控，通过数据传输系统将在线数据全部传输到HMI 画面中，岗位职工利用制作的专用小软件，输入监控数据，即可计算出所需要的投加总磷的量，进而得出所需要的加药量。通过对目前所用的缓释阻垢剂进行检测，其有效成份占比为18%，假设需要加药量N，循环水的保有量Q总，保有水量中总磷含量C(mg/L)，该浓度数据由公司质量检验部提供，强制排污量为Q排，补充新水量为Q补，根据生产实践经验，无特殊情况下，每天均定时安排补水，补水前取水样进行检测水中总磷含量，根据检测的总磷含量进行水中保有总磷的计算。按照公式N=[（5.5-C）×（Q总-Q补）+5.5×Q补]÷0.18 进行计算，即可得出相对准确应投加的缓释阻垢剂的重量。

3.2.3 加药系统功能

加药系统中的药剂储罐为内径2 m，高2.5 m的圆柱形储罐，有效容积为7.85 m³，缓释阻垢剂密度为1020 kg/m3，推算出，每投加100 kg 药剂，液位约下降0.03 m。通过上述公式计算出的要求需求量，进行N/100 的计算，即可得出完成药剂投储罐会下降的液位，岗位职工在主控机控制程序上，输入N值即可得出下降液位数据，药剂储罐液位下降到相应液位，加药泵自动停止运行。

4 改造后运行效果

上述改造全部完成后，对运行效果及循环水中总磷含量数据进行了跟踪和分析，明显发现总磷浓度相当稳定，基本能够在5.5 mg/l 左右很小的范围内波动。详见图4。

图4 改造后总磷浓度

5 结论

该精细化加药控制系统投入使用后，至今已有4 年时间，监测数据准确、可靠，循环水总磷浓度控制稳定，效果明显。该系统投入运行后，改变了以往依靠职工经验的粗犷式药剂投加方式，形成了科学化、精细化的投加方法，每年节约药剂费用约15万元。