中央空调循环冷（热）媒水系统水质分析与建议

库慧益，侯忠平

（武汉卷烟厂，湖北 武汉 430000）

0 引言

武汉卷烟厂中央空调系统制冷机组制冷总量为7500RT，中央空调系统水系统分为三部分，循环冷却水，冷媒水和热媒水系统。循环冷（热）水系统是以市政自来水作为补水，循环冷（热）媒水系统为密闭式系统，水分不蒸发，不浓缩，全年运行，循环冷（热）媒水系统供给空调箱，生产工艺设备，生产车间区 、办公区域以及生活区域使用。系统构造复杂，有的分开独立运行，有的交替运行，有的共用一路水管。这对水系统水质要求更高，才能确保多方面运行需求。目前系统运行一年多，未做水质保养，也未有其它水处理设施处理水质。系统末端已发现有腐蚀现象和结垢现象。制冷机组蒸发器小温差偏高，有时达到4.3℃。根据此现象我们对循环冷（热）媒水及补水分析，根据分析结果，采取措施，解决问题，为确保冷（热）媒水系统长期正常、高效率运行，对冷（热）媒水系统提出改善建议。

1 水质分析情况

1.1 补充水水质分析

武汉卷烟厂中央空调系统循环冷（热）媒水补充水是市政自来水作为补充水，其补充水水质分析数据：PH值：7.21，总溶固：253.5mg/l，浊度：0.35NTU，钙硬度：125.2mg/l，碱度：145.2mg/l，总铁：0.08mg/l。

利用Langelier饱和指数①（简称：L.S.I.指数）和Ryznar稳定指数①（简称：R.S.I.指数）对该水质在一定温度下进行理论判断，结果见表1所示。

表1 L.S.I.和R.S.I.指数计算结果

1.2 循环冷媒水水质分析

循环冷媒水系统未做水质保养。循环冷媒水水质分析数据：PH值：7.83，总溶固：262.8mg/l，浊度：15.32NTU，钙硬度：120.5mg/l，碱度：152.3mg/l，总铁：4.32mg/l。

利用Langelier饱和指数（简称：L.S.I.指数）和Ryznar稳定指数（简称：R.S.I.指数）对该水质在一定温度下进行理论判断，结果见表2所示。

表2 L.S.I.和R.S.I.指数计算结果

1.3 循环热媒水水质分析

循环热媒水系统未做水质保养。循环热媒水水质分析数据：PH值：8.62，总溶固：268.3mg/l，浊度：25.35NTU，钙硬度：112.7mg/l，碱度：158.6mg/l，总铁：3.45mg/l。

利用Langelier饱和指数（简称：L.S.I.指数）和Ryznar稳定指数（简称：R.S.I.指数）对该水质在一定温度下进行理论判断，结果见表3所示。

表3 L.S.I.和R.S.I.指数计算结果

1.4 对腐蚀产物与水垢分析

取腐蚀颗粒物做晶相分析，结果铁含量85.6%，说明是铁的氧化物。对水垢用1：1盐酸溶解，产生大量汽泡，说明是二氧化碳气体。取水垢颗粒物做晶相分析，结果钙含量78.8%，说明水垢是碳酸钙水垢为主。

1.5 对循环冷（热）媒水模拟腐蚀速率检测

在未做水质保养前，对循环冷（热）媒水模拟腐蚀速率检测其结果：碳钢平均腐蚀速率是0.12853mm/a和0.13557mm/a，大于GB/T50050-2017《工业循环冷却水处理设计规范》标准（以下都简称为《规范》）中0.075mm/a限值②要求。

对上述各水系统水质分析可知，水的PH值随温度升高而上升，是因管道是金属材料碳钢管为主，在循环传热过程中水中氢离子与金属反应，消耗了氢离子，所以PH值上升，故铁含量也上升，从模拟腐蚀试片看水质处于腐蚀状态。从L.S.I.和R.S.I.指数判断看，补水水质在这区间温度都是腐蚀状态，循环冷媒水也是处于腐蚀与微结垢状态，循环热媒水是处于微腐蚀与结垢状态。从实际维修设备及管道时发现有腐蚀产物和结垢产物以及排放出锈色水质，验证这判断是正确性。

2 水系统中金属腐蚀与结垢机理分析

2.1 金属腐蚀机理分析

金属腐蚀是一个电化学过程。阳极区、阴极区，水溶液三者构成一个腐蚀电池。由于碳钢的金属表面并不均匀，当它与水接触时会形成许多微小腐蚀电池（微电池）。其中活泼的部位成为阳极，腐蚀学上称为阳极区，而不活泼的部位成为阴极，腐蚀学上称为阴极区。

在阳极区，碳钢氧化生成亚铁离子进入水中，并在碳钢的金属基体上留下两个电子。与此同时，水中的溶解氧则在阴极区接受从阳极区流过来的两个电子，还原为OH-。这两个电极反应可以表示为：

在阳极区（碳钢金属基体）：阳极反应Fe→Fe2++2e

在阴极区（水中氧）：阴极反应1/202+H2O+2e→20H-

当亚铁离子和氢氧根离子在水中相遇时，就会生成Fe（OH）2沉淀

腐蚀产物：在水中Fe2++20H-→Fe（OH）2↓

氢氧化亚铁极易氧化成红棕色的铁锈：

Fe（OH）2+1/2 02+nH2O-----Fe（OH）3·nH2O↓

如果水中的溶解氧比较充足，则Fe（OH）2会进一步氧化，生成黄色的锈Fe2O3·H2O。如果水中的氧不充足，Fe（OH）2进一步氧化为绿色的水合四氧化三铁或黑色的无水四氧化三铁。

2.2 结垢机理分析

天然水中溶解有各种盐类，如重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等。其中以溶解的重碳酸盐如Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2为最多，也最不稳定，容易分解生成碳酸盐。当它通过换热器传热表面时，会受热分解，溶解在水中的CO2会逸出，此时，重碳酸盐在碱性条件下也会发生如下的反应Ca（HCO3）2+20H→CaCO3↓+2H2O+CO3

当水中溶有氯化钙时，还会产生下列置换反应CaCl2+CO3→CaCO3↓+2C1-

如水中溶有适量的磷酸盐时，生成微溶性磷酸钙，其反应为2PO4-+3Ca2+=Ca3（PO4）2↓

上述一系列反应中生成的碳酸钙和磷酸钙均属微溶性盐，它们的溶解度比氯化钙和重碳酸钙要小得多。碳酸钙和磷酸钙的溶解度与一般的盐类不同，它们不是随着温度的升高而升高，而是随着温度的升高而降低。因此，在换热器的传热表面上，这些微溶性盐很容易达到过饱和状态，而从水中结晶析出。当水流速度比较小或传热面比较粗糙时，这些结晶沉积物就容易沉积在传热表面上。

此外，水中溶解的硫酸钙、硅酸钙、硅酸镁等，当其阴、阳离子浓度的乘积超过其本身溶度积时，也会生成沉淀沉积在传热表面上。这类沉积物通常称为水垢。由于这些水垢结晶致密，比较坚硬，它们通常牢固地附着在换热表面上，不易被水冲洗掉。大多数情况下，换热器传热表面上形成的水垢是以碳酸钙为主。

3 处理措施

根据对水质分析判断、腐蚀产物和水垢分析、腐蚀与结垢的机理分析，在实际操作中不停机情况下处理水系统，建议采取以砂滤加水处理药剂处理措施，人工辅助末端排污及过滤器清洗和蒸发器通泡清洗，能解决以下问题。

3.1 水质浑浊度与锈蚀物问题处理

采用砂滤处理。在主管上增加旁滤系统，旁滤系统以砂滤除去水中沉积物和悬浮物，使用浊度降到标准控制范围内。

3.2 腐蚀与结垢问题处理

采用添加惠隆水处理公司生产的SFZ-114复合型阻垢缓蚀剂。此水处理药剂以无机亚硝盐，钼酸盐为主要成分复配合成水处理剂，配以含磺酸离子性多元高分子聚合物及芳香族唑类复合而成的阻垢缓蚀剂。对锈蚀物有分散络合清除功能，清除后金属表面成氧化性防蚀膜，药剂有机无磷阻垢剂和分散剂[1-3]。能降低和干扰碳酸盐垢沉积的速度，对二价金属离子具有优良的螯合性能，对碳钢和铜有良好的缓蚀作用。增加添加水处理药剂辅助设备，并在线检测与水质监控设备。对冷媒水系统与热媒水系统采用针对性的控制指标。对系统腐蚀性采用挂片式监测[4-6]。

3.3 人工辅助末端排污及过滤器清洗和蒸发器通泡清洗

因末端沉积物系统运行的局性限，定期人工辅助末端排污及过滤器清洗，把末端沉积物定期排放与清理。制冷机组蒸发器通泡处理。

4 现场应用效果

经过一年运行处理，循环冷（热）媒水系统水质数据明显变好，循环冷媒水水质主要变化参数如：PH值：9.82，浊度：2.53NTU，总铁：0.25mg/l。循环热媒水水质主要变化参数如：PH值：9.87，浊度：3.55NTU，总铁：0.23mg/l。

在做水质保养后，对循环冷（热）媒水模拟腐蚀速率检测其结果：碳钢平均腐蚀速率是0.00832mm/a和0.00886mm/a，小于GB/T50050-2017《规范》中0.075mm/a限值，符合规范》中要求。

从上面数据分析看浊度与总铁下降明显。目前水质很清。蒸发器小温差由4.3℃到目前下降到0.5℃，末端过滤器沉积物很少，大部分过滤很干净。腐蚀速率由未做水处理前大于《规范》限值到处理一年后腐蚀速率远远小于《规范》限值，下降趋势明显，从维修情况看，系统末端未发现有腐蚀现象和结垢现象。

5 经济收益

对武汉卷烟厂中央空调系统冷（热）媒水系统水质改善后，制冷机组换热效率大大提高，能耗降低明显。经统计，全年冷机系统COP约提高2～4%，同时减少了换水频次，节约水量达到约为40%。同时有效降低每年系统维护、清洗费用，腐蚀速率减满则延长了设备及系统管道的使用年限，为企业创造了巨大的经济效益。

6 结语

对于闭式系统来说，虽然补水量小，水质虽然较为稳定，但是系统管道结构复杂，阀门众多，建造过程中管道内存留的焊渣及杂物，多种金属材料混用，不可避免带来腐蚀，只是速率相对较慢，结果呈现不显著，不容易引起企业的重视。但从长远来看，闭式循环系统水处理是十分必要的，以武汉卷烟厂中央空调系统冷（热）媒水系统为例，结合理论与实际情况，提出改善建议，通过采取一系列物理、化学及管理措施方法，有效降低了系统故障率，提高系统保障能力，验证了各举措的合理性，同时投入较小，回报大，值得行业重视与推广。