新型循環(huán)冷卻水自動(dòng)加藥控制裝置的研制

      在工業(yè)用水領(lǐng)域，冷卻水污垢和腐蝕的存在 嚴(yán)重影響著設(shè)備的安全運(yùn)行，同時(shí)造成了巨大的 能源浪費(fèi)。投加水質(zhì)穩(wěn)定藥劑可以有效抑制循 環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢、控制設(shè)備和配管腐蝕并抑制 水中微生物的滋生，對(duì)于滿足工藝設(shè)備用水水質(zhì) 要求、確保正常生產(chǎn)、延長(zhǎng)設(shè)備和配管的使用壽命 具有重要意義。

      目前，國(guó)內(nèi)外自動(dòng)加藥控制方式主要有流量 比例、水量平衡和熒光示蹤劑3種，日本栗田公司 以流量比例式自動(dòng)控制加藥，美國(guó)大湖公司以 水量平衡式自動(dòng)控制加藥H o，美國(guó)NALCO公司 以熒光示蹤劑為傳感元件自動(dòng)控制加藥，朱斌 和羅益民研制了基于PLC控制的流量比例式自 動(dòng)加藥控制裝置M1，劉祥宇以單片機(jī)作為信號(hào)處 理核心單元開(kāi)發(fā)熒光示蹤劑式自動(dòng)加藥控制裝 置。川。然而，上述循環(huán)冷卻水自動(dòng)加藥控制裝置 對(duì)緩蝕阻垢劑的投加都以循環(huán)水中藥劑的濃度作 為反饋信號(hào)，通過(guò)恒定循環(huán)水中的藥劑濃度，控制 緩蝕阻垢劑的投加量，且水處理劑投加濃度在循 環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已根據(jù)補(bǔ)充水質(zhì)特性確定，并保 持不變，未對(duì)換熱器結(jié)垢進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在冷卻 水補(bǔ)水水質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，水處理劑加藥濃度保持 不變，從而造成藥劑浪費(fèi)、管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重及濃縮倍 率不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此，研究開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢傾向且依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制加藥 量的循環(huán)冷卻水自動(dòng)加藥控制裝置是極其必要的。 筆者設(shè)計(jì)的自動(dòng)加藥控制裝置以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所得的污垢熱阻和關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)作為反饋參數(shù)，通過(guò)與系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)比較來(lái)控制緩蝕阻垢劑、濃硫酸和殺菌滅藻劑的加藥量、補(bǔ)水量和排污量，并根據(jù)污垢熱阻測(cè)量值調(diào)節(jié)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)的目標(biāo)值來(lái)抑制結(jié)垢。 

      筆者設(shè)計(jì)的循環(huán)冷卻水自動(dòng)加藥裝置的控制 原理如圖1所示。系統(tǒng)以污垢熱阻作為反饋?zhàn)?量，并與程序設(shè)定的污垢熱阻閾值進(jìn)行差值比較， 根據(jù)比較結(jié)果，輸出控制信號(hào)至PID控制器，控制 緩蝕阻垢劑加藥泵的啟、停和開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)緩蝕 阻垢劑的投加量。同時(shí)，根據(jù)計(jì)算的污垢熱阻值 與污垢熱阻閾值的比較結(jié)果，對(duì)pH值、ORP和濃 縮倍率的閾值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)改變關(guān)鍵水質(zhì) 參數(shù)的閾值，控制濃硫酸和殺菌滅藻劑的投加量， 控制補(bǔ)充水量和排污量。 

      裝置測(cè)量部件由污垢熱阻監(jiān)測(cè)器、流量計(jì)、 pH計(jì)、電導(dǎo)率儀及ORP分析儀等構(gòu)成。 依據(jù)文獻(xiàn)[9]的污垢熱阻測(cè)量原理設(shè)計(jì)在線 污垢熱阻監(jiān)測(cè)器，該監(jiān)測(cè)器通過(guò)模擬換熱器以電 廠循環(huán)冷卻水的實(shí)際流態(tài)、水質(zhì)、金屬材料和換熱 強(qiáng)度為基礎(chǔ)，模擬凝汽器換熱效果，采用熱電阻傳 感器、熱電偶傳感器和流量計(jì)分別采集模擬換熱 器的出／入口溫度、管壁溫度和流速，用1-7000溫 度和電壓采集模塊將溫度和流速信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)輸送至工控機(jī)，由工控機(jī)中已編制好的程序 計(jì)算污垢熱阻，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污垢熱阻。 關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)裝置采用在線測(cè)量?jī)x 表和測(cè)量電極，檢測(cè)取樣罐中循環(huán)冷卻水的電導(dǎo) 率、pH值和ORP和補(bǔ)充水電導(dǎo)率，并用1-7000電 壓采集模塊將采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸 送至工控機(jī)，對(duì)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)(濃縮倍率、pH值和ORP)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，濃縮倍率Ⅳ為 循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率K。與補(bǔ)充水電導(dǎo)率K，的比 值，即N=K．／K2。 

      循環(huán)冷卻水自動(dòng)加藥控制部件由PID控制 器、變頻器、機(jī)械膈膜計(jì)量泵、補(bǔ)充水閥和排污閥 組成。PID控制器接收監(jiān)測(cè)部件發(fā)送來(lái)的控制信 號(hào)，調(diào)節(jié)變頻器頻率，調(diào)整隔膜計(jì)量泵、補(bǔ)水閥和 排污閥的啟／停和開(kāi)度，以控制投加藥劑量、補(bǔ)水 量和排污量。

      循環(huán)水自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的軟件部分實(shí)現(xiàn)參 數(shù)設(shè)置、參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控參數(shù)在線控制、歷史 查詢及報(bào)表打印等功能，其主界面如圖3所示。 在系統(tǒng)主界面中對(duì)所采集的各參數(shù)進(jìn)行處理和運(yùn) 算，得出污垢熱阻，并實(shí)時(shí)顯示污垢熱阻和水質(zhì)參 數(shù)(pH值、濃縮倍率及ORP等)。

      監(jiān)控參數(shù)在線控制界面如圖4所示，用戶可 以根據(jù)需要在相應(yīng)參數(shù)中設(shè)定核心控制參數(shù)的范 圍，增強(qiáng)了在線實(shí)時(shí)調(diào)整的靈活性。還可以根據(jù) 不同補(bǔ)充水水質(zhì)，對(duì)核心控制參數(shù)的控制范圍進(jìn) 行在線調(diào)整。

      根據(jù)山東興隆莊電廠1。機(jī)組冷卻水補(bǔ)水水 質(zhì)特點(diǎn)和GB 50050．2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理 設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定自動(dòng)加藥裝置控制參數(shù)的指標(biāo) 具體如下： pH值8．3～8．5 ORP 300～350 mV 濃縮倍率4．0—4．5 污垢熱阻 不大于3．44×10“m2·K／w 冷卻水的主要補(bǔ)水來(lái)源是礦井水，水質(zhì)pH 值中性、懸浮物顆粒度較小，但細(xì)菌含量較高。結(jié) 合GB 50050．2007對(duì)敞開(kāi)式循環(huán)水pH值的要求 和電廠阻垢緩蝕劑最佳pH值環(huán)境，選取pH值為 8．3～8．5、ORP為300—350、濃縮倍率為4．0— 4．5、污垢熱阻控制小于3．44 X 10。4m2 K／W。

      循環(huán)冷卻水自動(dòng)加藥控制裝置在山東興隆莊 電廠1。機(jī)組試運(yùn)行，對(duì)pH值、ORP和濃縮倍率進(jìn) 行監(jiān)測(cè)控制，測(cè)量結(jié)果如圖5～7所示(pH、ORP 和濃縮倍率曲線的初值為原水處理方案測(cè)量 值)。利用98％的濃硫酸調(diào)節(jié)水質(zhì)pH值，由10d 的監(jiān)測(cè)曲線可以看出，pH值從初始8．7逐漸下降 至8．3—8．5，且控制值較為穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)定的 控制目標(biāo)。殺菌滅藻劑濃度投加由ORP控制，初 期ORP值較低，隨著殺菌滅藻劑濃度的增加， ORP值逐漸上升并最終穩(wěn)定在300～350，且控制 值穩(wěn)定。濃縮倍率是利用電導(dǎo)率、補(bǔ)水閥、排污閥 和流量計(jì)控制，該電廠補(bǔ)充水以礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程中 初步處理的井下排水為主，補(bǔ)充水電導(dǎo)率變化范 圍大，因此濃縮倍率曲線波動(dòng)較大，但從整體趨勢(shì) 看，隨著設(shè)備對(duì)補(bǔ)水量和排污量的自動(dòng)控制，濃縮 倍率最終穩(wěn)定在4．0—4．5。 

      在pH值、ORP和濃縮倍率穩(wěn)定的情況下，監(jiān) 測(cè)實(shí)施緩蝕阻垢劑加藥控制方案前、后的污垢熱 阻，結(jié)果如圖8所示。實(shí)施加藥控制方案前，污垢 熱阻曲線明顯上升，最終的污垢熱阻瞬時(shí)值達(dá)到 3．44×10“m2 K／W，換熱器結(jié)垢。實(shí)施加藥控 制方案后，污垢熱阻測(cè)量值恒定，無(wú)上升趨勢(shì)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，證實(shí)該加藥控制 裝置在保證濃縮倍率達(dá)到4．0～4．5時(shí)，抑垢效果 明顯，節(jié)約了水資源，提高了電廠經(jīng)濟(jì)效益。