循環冷卻水處理在線監控評價設備的開發

曹生現，趙振超，李思博，陳巖飛，付從偉，任紀兵，馮保住

?

循環冷卻水處理在線監控評價設備的開發

曹生現1，趙振超1，李思博1，陳巖飛1，付從偉2，任紀兵2，馮保住2

（1東北電力大學自動化工程學院，吉林省吉林市 132012；2山東華聚能源股份有限公司，山東鄒城 273500）

開發了一種新型循環冷卻水處理在線監控評價設備，用于水處理對策在線評價、優化與核心水質參數在線監控。該裝置以電廠凝汽器循環冷卻水的實際流態、水質、金屬材質、換熱強度為基礎，對換熱器污垢熱阻、腐蝕速率及核心水質參數（pH、ORP、濃縮倍率）進行在線實時監測，以此為依據，對水處理劑加藥濃度在線評價，并實時調整。設計了監控系統硬件，包括：污垢熱阻檢測器、腐蝕速率檢測器、自動加藥裝置、水質參數分析儀表和工控機等，利用Delphi7.0編制了系統軟件，可完成監控參數設置、實時顯示、在線控制、歷史數據查詢、報表打印等。該裝置應用于山東兗礦集團興隆莊電廠1號機組，實驗結果表明：該裝置可實時評價水處理加藥方案，有效地抑制污垢熱阻生長，減輕換熱器腐蝕，瞬時污垢熱阻＜1.5×10-4m2·K·W-1，腐蝕速率＜0.005 mm·a-1，循環冷卻水濃縮倍率由2倍提高到4倍，優化了水處理方案，提高了電廠經濟效益。

循環冷卻水處理；在線監控；優化；結垢；腐蝕

引 言

工業冷卻水作為工業用水的重要部分，其用量占工業用水總量的70%左右，在某些企業中，甚至達90%～95％以上[1]。因此，工業冷卻水成為工業節水的主要著眼點。在工業冷卻水中普遍采用循環冷卻方式[2]，提高水的重復利用率，是節約水資源和保護環境的重要途徑，可大大緩解水資源的緊 張局面。冷卻水的重復利用必然導致換熱設備的污 垢[3-6]、腐蝕問題[7-8]，而目前國內火電廠循環冷卻水水質監測大多采用離線或人員手工分析，缺少正確的監督方法和有效的處理對策，影響了電廠的安全經濟運行。

20世紀90年代初，隨著計算機技術的迅速發展，換熱設備的監測技術也得到了很大的發展，一些監測設備相繼而生。吳鵬[9]通過監測實驗用毛細管中溶液流量的衰減反映其結垢趨勢，設計了阻垢劑性能評價裝置。孫靈芳等[10]研制了循環水阻垢率在線評價裝置，并進行實驗室動態模擬實驗。Howarth等[11]研制了基于模擬換熱器熱平衡原理的過程監測器，并未進行水處理藥劑評價在線監測。Mairal等[12]采用超聲波技術在線監測了反滲透除鹽膜上污垢的積聚，發現超聲信號對于硫酸鈣污垢層的變化較為敏感。Flemming等[13]利用兩臺濁度儀設計了一種差分濁度測量裝置，對不銹鋼水循環管路的污垢進行了監測研究。全貞花等[14]基于熱平衡的基本原理，開發了管式換熱器污垢熱阻動態監測裝置，該裝置可記錄換熱表面污垢變化，并可實現結垢過程的可視化監測。宋詩哲等[15]研制了由Ag/AgCl作參比電極和Pr/Ir合金作輔助電極組成的循環冷卻水系統管狀金屬腐蝕傳感器，并將其用于黃銅管的腐蝕行為研究。然而，目前這些循環冷卻水監測技術還處于實驗室模擬應用階段，同時監測裝置的功能單一，主要用于熱力設備污垢監測。

為此，本文開發了一種新型循環冷卻水處理在線監控評價設備，用于水處理對策在線評價、優化與核心水質參數在線監控。目前該設備已應用于山東兗礦集團興隆莊電廠，優化了電廠水處理方案，提高了經濟效益。

1 方法與方案

1.1 污垢熱阻測量原理

本裝置按照污垢的溫差監測法，即利用系統運行過程中冷卻水流經換熱管時的進出口溫度的差值來間接計算污垢沉積量的變化，根據文獻[16]，污垢熱阻f可由式(1)求得

式中，wf為管壁與污垢之間的界面溫度；s為管內壁污垢表面溫度，利用對流換熱原理來求取；熱通量可通過式(2)計算確定。

(2)

式中，為容積流量；c為流體比定壓熱容；fi為管段流體入口溫度；fo為管段流體出口溫度；為管徑；為管長；f為流體密度。其中管徑一般情況下要比垢層厚度大得多，因此垢層厚度可忽略不計。

因此，只要測量出實驗管段流體出入口溫度、流量及管壁溫度，應用上述關系即可確定對應的污垢熱阻值。

1.2 腐蝕速率測量原理

本裝置采用弱極化三點法[17]在線監測換熱器腐蝕速率。該方法不受腐蝕體系線性度的限制，不破壞電極表面狀態，也無須對金屬腐蝕動力學方差作任何近似處理，所測腐蝕電流更接近真實值[18-19]。

弱極化三點法是在弱極化區選取3個呈比例的極化電位：Δ、2Δ和-2Δ，分別測量與之相對應的極化電流，根據金屬腐蝕速率基本公式可推導出腐蝕電流密度corr，從而由腐蝕深度與腐蝕電流密度之間的換算關系式計算出腐蝕速率

式中，為金屬物質的量；為金屬密度；為電極有效面積。

1.3 核心水質參數在線測量與控制原理

為優化水處理方案，有效評價水處理劑濃度（阻垢緩蝕劑、殺菌滅藻劑），結合電廠已有水處理方案（投加濃硫酸、殺菌滅藻劑和阻垢緩蝕劑）和循環冷卻水補水特征，該裝置選擇與污垢、腐蝕、微生物生長和阻垢緩蝕劑、殺菌滅藻劑濃度關聯度較大、易于檢測的水質參數：pH、氧化還原電位（ORP）和電導率（用于計算濃縮倍率）作為循環冷卻水核心控制參數[20]，并進行在線監測與控制。

（1）濃縮倍率監測與控制：裝置以電導率法計算濃縮倍率[21]，其關系式為

式中，為濃縮倍率；1為循環冷卻水電導率；2為補充水電導率。

系統軟件根據在線計算的濃縮倍率與設定值差值自動控制補水和排污電動閥的啟停，從而控制循環水濃縮倍率在設定的范圍內波動。

（2）pH監測與控制：通過在線儀表對pH進行在線實時測量，并將實時測量值與系統設定值比較，超過設定值上限按照設定的上限加酸量加酸，在設定值上限與下限之間時按照下限加酸量加酸，低于設定值下限停止加酸，從而調整pH穩定。

（3）ORP監測與控制：通過在線儀表對ORP值進行實時測量，并對實時測量值與系統軟件設定的上限值及下限值進行差值比較，控制計量泵的啟停和開度，從而實時調整殺菌滅藻劑的投加量，控制ORP穩定。

1.4 藥劑濃度在線評價原理

在核心控制參數穩定的基礎上，通過在線監測系統實時監測換熱器的污垢熱阻及腐蝕速率，判斷水質結垢和腐蝕傾向，記錄該濃度下污垢誘導期及腐蝕速率，并調整藥劑濃度，使循環水系統藥劑濃度增加Δ，并連續監控污垢熱阻及腐蝕速率。從而完成對循環冷卻水處理劑濃度在線評價及調整，優化水處理方案。

2 監控評價裝置設計

2.1 硬件設計

監控裝置硬件結構如圖1所示，在線監控評價裝置硬件設計特點如下。

圖1 系統硬件結構

1—industrial computer; 2—monitoring device of fouling resistance and corrosion rate; 3—data acquisition system; 4—sampling pool; 5—condenser; 6—cooling tower; 7—reservoir of cooling water; 8—metering pump of addition agent; 9—drain valve; 10—makeup water valve; 11—measuring point of makeup water conductivity; 12—addition agent tank

（1）污垢熱阻在線檢測器：在線檢測器直接將自制的模擬監測換熱器接于電廠換熱器循環冷卻水系統的旁路，以電廠換熱器冷卻水的實際流態、水質、金屬材質、換熱強度為基礎，通過系統采集模塊對換熱管的壁溫、換熱管進出口溫度及循環水流速進行采樣，根據溫差監測法建立的污垢熱阻模型進行自動計算，實現了對換熱器污垢熱阻的在線監測。

（2）腐蝕速率在線檢測器：采用自制的與換熱管同材料、同內徑的管狀三電極系統，換熱管材質為304不銹鋼（06Cr19Ni10），鋼管規格：25 mm×1.5 mm，外徑25 mm，管壁厚1.5 mm，3個電極都是線切割，切割縫隙0.4mm，120°三等分加工。為確保電極段的管內流場與換熱管內流場完全相同，在線檢測器測得腐蝕電流經恒電位控制電路轉換成電壓信號，再由數據采集模塊將轉換來的電壓信號采集到工控機中，利用系統軟件根據采集的電壓信號自動完成腐蝕速率的在線計算。

（3）在線監控評價裝置系統集成：裝置集成了電導率、pH和ORP在線監測儀表，結合系統軟件完成對核心在線監控參數（濃縮倍率、pH、ORP）的在線監控，并將其與污垢熱阻在線檢測器、腐蝕速率在線檢測器和自動加藥控制裝置結合，形成了一個閉環監測評價控制回路。

2.2 軟件設計

系統軟件功能總體分為參數設置、監控參數實時顯示、監控參數在線控制、歷史查詢、報表打印等，系統軟件框圖如圖2所示。

圖2 系統軟件框圖

（1）主界面：在系統主界面中對所采集的各參數進行處理、運算，得出污垢熱阻及腐蝕速率數值，為主界面和圖形顯示提供數據支持。

（2）加藥控制模塊：用戶可根據需要在相應參數中設定各項核心控制參數的控制范圍，增強了在線實時調整的靈活性，可根據不同補充水水質，對核心控制參數的控制范圍進行在線調整，滿足不同水質需求。

（3）參數設置模塊：用戶可根據電廠換熱管的實際情況，在參數設置模塊中對換熱管的材質、長度及內徑進行設定，滿足了不同換熱器的監控要求，擴大了裝置的使用范圍。

（4）歷史查詢和報表打印模塊：可將核心控制參數、污垢熱阻、腐蝕速率及進出口溫度、流速等歷史數據保存為excel文檔，并可根據需要打印報表存檔。

3 監控設備運行數據分析

為考察監控設備的可靠性和功能實用性，該裝置安裝于山東兗礦集團興隆莊電廠1號機組，進行實驗運行，對該機組循環冷卻水系統進行了在線監控，并對其投加水處理劑濃度進行了在線評價及 調整。

3.1 核心水質參數監控數據分析

以該裝置對現場循環水濃縮倍率、pH及ORP在線調整過程及調整前后的11 d監控數為例，對其監控效果進行分析，濃縮倍率、pH及ORP的監控曲線如圖3～圖5所示。圖中前5天為系統調試階段數據，從第5天開始，在系統軟件中將濃縮倍率設定為4倍，pH下限值設置為8.3，上限值設置為8.4，ORP上限設置為310 mV，下限設置為300 mV。由圖3所示，濃縮倍率在第5天出現下降，并最終平穩在4倍。圖4中pH在4～5 d之間出現了上升，這是由于調整過程中，停止了加酸計量泵工作，第5天開始對其進行控制后，pH下降并控制在設定值8.3～8.4之間。由圖5所示，ORP第5天開始上升，這是由于在第5天系統對氧化性殺菌劑的投加量進行了在線控制，從而使得系統ORP值控制在設定的300～310 mV之間。

圖3 濃縮倍率曲線

圖4 pH曲線

圖5 ORP曲線

從監控數據的分析可以看出本裝置對濃縮倍率、pH及ORP的在線監測數據與實際相符，能夠真實地反映現場的循環冷卻水核心水質參數，且能夠將其控制在設定范圍內。

3.2 污垢熱阻、腐蝕速率監測結果分析

藥劑濃度選取對水處理效果起著重大作用，濃度過低不能達到理想的處理效果，濃度過高浪費藥劑，污染環境。因此，在線監測了投加阻垢緩蝕劑濃度分別為75、100 mg·L-1的污垢熱阻及腐蝕速率，并針對電廠補充水水質，實時控制濃縮倍率為4，pH為8.3～8.4，ORP為300～310 mV。污垢熱阻及腐蝕速率曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 污垢熱阻曲線

圖7 腐蝕速率曲線

由圖6表明，隨著藥劑濃度的增大，污垢熱阻值在實驗初期趨勢基本相同，但在污垢快速生長階段，隨著藥劑濃度的增大，污垢熱阻值增長明顯緩慢，并且趨于平穩。在線調整系統加藥濃度為100 mg·L-1后，污垢熱阻值誘導期明顯增長，在31 d時，其瞬時熱阻值仍然＜1.5×10-4m2·K·W-1，且基本趨于平穩。

圖7中開始腐蝕速率曲線均呈現上升趨勢，這是由于新管子還沒有形成鈍化膜，在形成鈍化膜后腐蝕速率下降。投加阻垢緩蝕劑75 mg·L-1時，腐蝕速率初期基本平穩在0.004 mm·a-1左右，在第17天左右，由于管壁結垢產生垢下腐蝕，伴隨著污垢熱阻的上升腐蝕速率也出現了上升趨勢，最終平穩在0.007 mm·a-1，在對阻垢緩蝕劑的投加濃度調整為100 mg·L-1后，腐蝕速率的平穩值基本控制在0.004 mm·a-1。

換熱管腐蝕速率測量的弱極化三點法與國標掛片法（GB 50050—2007）相比存在一定的差別，主要影響因素為：（1）監測位置流速的影響，因為流速對腐蝕速率起加速作用，三電極系統的腐蝕速率在線檢測器串接在換熱管上，掛片法一般放在冷卻水浴中，換熱管內冷卻水流速相對水浴要大；（2）腐蝕電流/電壓信號的轉換電路存在零點漂移，檢測值與真實值相比有一定偏差；（3）腐蝕速率在線檢測器所測為微弱信號，容易受到外界的干擾。

綜上，在核心控制參數控制范圍內，選取藥劑濃度為100 mg·L-1時，可以滿足電廠對循環冷卻水處理效果的需要，污垢熱阻及腐蝕速率均達到了《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB 50050—2007）國家標準，有效地抑制了污垢熱阻生長，減輕了換熱器腐蝕，從而在安全提高濃縮倍率到4倍的情況下，優化了水處理方案，節約了水資源，提高了電廠效益。

4 結 論

（1）開發了循環冷卻水在線監控評價裝置，實現對電廠換熱管的結垢與腐蝕情況實時在線監測功能。

（2）裝置可適用于不同補充水水質和不同參數管殼式換熱器的水處理方案在線評價及優化，應用前景廣。

（3）設備將監測與藥劑的管理結合在一起，使得系統裝置形成了一個閉環回路，實現了換熱器在線監測和水處理劑濃度評價、實時調整。

（4）工業應用實驗結果表明：該設備功能完善，穩定性好，優化了水處理方案，節約用水，提高電廠經濟效益。

符 號 說 明

cp——流體比定壓熱容，J·kg-1·K-1 d——換熱管管徑，m G——容積流量，m3·h-1 Icorr——腐蝕電流密度，mA·cm-2 K1，K2——分別為循環冷卻水電導率、補充水電導率，S·m-1 l——換熱管長度，m N——濃縮倍率 q——熱通量，J·m-2·S-1 Rf——污垢熱阻，m2·K·W-1 S——電極有效面積，cm2 Tfi，Tfo——分別為管段流體入口溫度、管段流體出口溫度，℃ Twf，Ts——分別為管壁與污垢之間的界面溫度、管內壁污垢表面溫度，℃ vcorr——腐蝕速率，mm·a-1 ρf，ρm——分別為流體密度、換熱管金屬密度，kg·m-3

References

[1] Zhou Bensheng (周本省). Industrial Water Treatment Technology (工業水處理技術) [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2002: 7-10.

[2] Lei Zhe (雷哲), Feng Xiao (馮霄). Targeting minimal flow rate of circulating cooling water [J].(化工學報), 2011, 62 (4): 1006-1013.

[3] Bao Qinai (鮑其鼐). A model for predicting fouling behavior of cooling water [J].() (化工學報), 1985, 36 (1): 79-84.

[4] Sheng Jian (盛健), Zhang Hua (張華), Zhao Ping (趙萍), Shi Xuefei (史雪菲). Mechanism of initial crystallization fouling of calcium carbonate under static condition at 60℃ [J].(高校化學工程學報), 2014, 28 (3): 542-548.

[5] Li Hongxia (李紅霞), Li Guanqiu (李冠球), Li Wei (李蔚). Analysis of in tubes particulate fouling characteristic [J].:(浙江大學學報: 工學版), 2012, 46 (9): 1671-1677.

[6] Yang Qianpeng (楊倩鵬), Chen Xiaodong (陳曉東), Tian Lei (田磊), Shi Lin (史琳). Growth and interaction mechanism of multi-strain biofouling under different nutrient levels [J].(化工學報), 2013, 64 (3): 1036-1041.

[7] Yang Hua (楊樺), Zhang Jinsong (張勁松), Xing Linan (刑禮娜), Jin Ruofei (金若菲), Zhang Jucheng (張聚成). Corrosion characteristics of coking wastewater reused as circulating cooling water [J].(環境科學研究), 2010, 23 (7): 975-978.

[8] Li Lingjie (李凌杰), Lei Jinglei (雷驚雷), Yu Shenghai (于生海), Zhao Chuan (趙川), Zhang Shengtao (張勝濤), Pan Fusheng (潘復生). Inhibition of corrosion of magnesium alloy by molybdata in simulated cooling water [J].() (化工學報), 2008, 59 (5): 1223-1227.

[9] Wu Peng (吳鵬).Evaluation device and method of fouling trend and inhibition effect [P]: CN, 200810036992. 2009-11-11.

[10] Sun Lingfang (孫靈芳), Yang Shanrang (楊善讓), Xu Zhiming (徐志明). A new on-line cooling water simulated dynamic test equipment [J].(儀器儀表學報), 2002, 23 (3): 630-31.

[11] Howarth J H, Glen N F, Jenkins A M. The Use of Fouling Monitoring Techniques: Understanding Heat Exchanger Fouling and Its Iitigation [M]. New York: Begell House Inc., 1999: 309-314.

[12] Mairal A P, Greenberg A R. Real-time measurement of inorganic fouling of RO desalination membranes using ultrasonic time-domain reflectometry [J]., 1999, 159:185-196.

[13] Flemmming H C, Tamachkiarowa A, Klahre J. Monitoring of fouling and biofouling in technical systems [J]...., 1998, 38 (8/9): 291-298.

[14] Quan Zhenhua (全貞花), Chen Yongchang (陳永昌), Wang Chunming (王春明), Li Bing (李兵), Ma Chongfang (馬重芳). Development of on-line monitoring apparatus of fouling thermal resistance and its calculation method of heat transfer [J].(工程熱物理學報), 2007, 28 (2): 322-324.

[15] Song Shizhe (宋詩哲), Yin Lihui (尹立輝), Wu Jie (武杰), Wang Shouyan (王守琰). Corrosion electrochemistry of brass tube in simulated circulating cooling system [J].() (化工學報), 2005, 56 (1): 121-125.

[16] Yang Shanrang (楊善讓), Xu Zhiming (徐志明). Fouling and Countermeasures of Heat Transfer Equipment. (換熱設備的污垢與對策) [M]. 2nd Ed. Beijing: Science Press, 2004: 324-326.

[17] Feng Yeming (馮業銘), Geng Xiaolan (耿小蘭), Zheng Liqun (鄭立群). Study on instrument for measuring corrodent rate of metal by way of weak polarization [J].(傳感器技術), 1999, 18 (5): 42-44.

[18] Han Lei (韓磊), Song Shizhe (宋詩哲). Portable corrosion electrochemical test system based on virtual instrument [J].(儀器儀表學報), 2008, 29 (5): 903-907.

[19] Zhao Yongtao (趙永韜), Guo Xingpeng (郭興蓬), Dong Zehua (董澤華). Study on corrosion measurement system based on coulostatic method [J].(儀器儀表學報), 2003, 24 (4): 108-110.

[20] Zhang Chunlei (張春雷). Study of core parameter in recirculating cooling water [D]. Baoding: North China Electric Power University, 2008.

[21] Zhang Guangwen (張廣文). Test study on the calculation method of enrichment factor for circulatory cooling water [J].(熱力發電), 2008, 37 (12): 90-93.

Development of online monitoring and evaluation device for treatment of circulating cooling water

CAO Shengxian1, ZHAO Zhenchao1, LI Sibo1, CHEN Yanfei1, FU Congwei2, REN Jibing2, FENG Baozhu2

(1School of Automation Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China;2Shandong Huaju Nengyuan Co. Ltd., Zoucheng 273500, Shandong, China)

A new online monitoring and evaluation device for the treatment countermeasures of circulating cooling water was developed，which is used for evaluation and optimization of water treatment countermeasures, and online monitoring of the core water quality parameters. This device can online monitor the heat exchanger fouling resistance, corrosion rate and core water quality parameters (pH, ORP, concentrated ratio) in real-time based on the fluid state, water quality, metal materials and heat transfer intensity of the power plant circulating cooling water, and can evaluate and adjust the concentration of the water treatment agent online. The monitoring system hardware including fouling resistance detector, corrosion rate detector, automatic dosing device, analysis instrumentation of water quality parameters and industrial computer was designed. And the software was developed by Delphi7.0 which can carry out monitoring parameter settings, real-time display, online control, historical data query and report printing. This device has been used in Unit 1 of the Power Plant of Shandong Yancon Croup Co., Ltd. The experimental results showed that the instantaneous fouling resistance and corrosion rate were less than 1.5×10-4m2·K·W-1and 0.005 mm·a-1, respectively, and the concentration ratio of the circulating cooling water can increase from 2 times to 4 times. This device can evaluate the water treatment dosing programs in real-time, inhibit the growth of fouling resistance effectively, reduce the corrosion of the heat exchanger and improve the economic efficiency of power plants.

circulating cooling water treatment; online monitoring; optimization; fouling; corrosion

10.11949/j.issn.0438-1157.20141859

TP 23

國家自然科學基金項目（51376042,51176028）。

2014-12-15.

Prof. CAO Shengxian, csxlb_jl@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376042, 51176028).

A

0438—1157（2015）07—2649—07

2014-12-15收到初稿，2015-04-03收到修改稿。

聯系人及第一作者：曹生現（1974—），男，博士，教授。