循環(huán)冷卻水緩釋阻垢劑投加的精細(xì)化控制實(shí)踐

李桂林，王延慶，王承剛，雷仲存

（1.首鋼智新遷安電磁材料有限公司；2.北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064400）

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，水資源的消耗也成為限制發(fā)展的重要因素，我國作為淡水匱乏國家，提高水資源利用率、循環(huán)使用率以及提高污水處理能力，是解決水資源缺乏的一種重要途徑。由于水的化學(xué)穩(wěn)定性好、熱容量大、沸點(diǎn)較高，在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中，為了節(jié)約水資源，都建有循環(huán)水泵站，用以提高水的循環(huán)使用率。而循環(huán)冷卻用水的水質(zhì)要求普遍較高，特別是循環(huán)水，要求不易結(jié)垢、不易對(duì)金屬設(shè)備及管道產(chǎn)生腐蝕、不易滋生菌藻，并且對(duì)水的硬度、濁度、濃縮倍率都有一定的要求。因此，緩釋阻垢劑的投加，對(duì)結(jié)垢控制、腐蝕控制尤為重要。某公司通過多年的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐及理論分析，建立了一套緩釋阻垢劑投加的精細(xì)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，并降低了藥劑成本及人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 循環(huán)水工藝介紹

循環(huán)水冷卻系統(tǒng)分為密閉式和敞開式，某公司采用的是敞開式間接凈環(huán)冷卻系統(tǒng)，采用抽風(fēng)逆流式冷卻塔。

循環(huán)水系統(tǒng)分為一冷循環(huán)系統(tǒng)和二冷循環(huán)系統(tǒng)，一冷循環(huán)系統(tǒng)保有水量為8 000 m3，二冷循環(huán)系統(tǒng)保有水量為14 500 m3，均采用自灌式離心泵輸送，單臺(tái)泵的輸送能力為3 800 m3/h。系統(tǒng)設(shè)置有一冷旁濾系統(tǒng)和二冷旁濾系統(tǒng)，過濾水量分別為各系統(tǒng)保有水量的5%，用以保證循環(huán)水的懸浮物能夠達(dá)到水質(zhì)要求，防止在長(zhǎng)期循環(huán)使用過程中的積泥從而影響換熱效率。該系統(tǒng)運(yùn)輸介質(zhì)管道為碳鋼材質(zhì)，主要為生產(chǎn)線的水冷電機(jī)、液壓站、換熱器等需冷卻設(shè)備提供冷卻水換熱，因此，防止管道內(nèi)壁結(jié)垢和腐蝕是關(guān)系到生產(chǎn)設(shè)備的安全運(yùn)行的問題，最終影響公司的穩(wěn)定生產(chǎn)和成本控制。根據(jù)生產(chǎn)機(jī)組設(shè)備對(duì)循環(huán)水水質(zhì)的要求，通常控制循環(huán)水濃縮倍率在2～2.5 之間，根據(jù)所使用的緩釋阻垢劑磷含量情況，控制循環(huán)水中總磷應(yīng)保持在5±2 mg/L 左右，氯根控制在60～75 mg/L。各系統(tǒng)凈環(huán)供水池分別設(shè)置有補(bǔ)水管道和強(qiáng)制排污管道，確保新水補(bǔ)充和污水外排，用以控制循環(huán)水的濃縮倍率。具體工藝流程如圖1。

2 改造前加藥系統(tǒng)存在的問題

2.1 改造前濃縮倍率的控制情況

改造前對(duì)濃縮倍率的控制采取氯離子濃度控制的方法，每天對(duì)循環(huán)水進(jìn)行取樣化驗(yàn)其中氯離子的濃度，與補(bǔ)充新水中的氯離子濃度進(jìn)行對(duì)比，得出所測(cè)循環(huán)水中的濃縮倍率，根據(jù)濃縮倍率情況進(jìn)行補(bǔ)充新水和排放污水。濃縮倍率調(diào)整滯后，崗位操作人員需要待實(shí)驗(yàn)室得出濃縮倍率后，再進(jìn)行補(bǔ)水和排水，不能直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行。

2.2 改造前的加藥設(shè)備情況

改造前的加藥設(shè)備系統(tǒng)有藥劑儲(chǔ)罐、攪拌機(jī)、計(jì)量泵、閥門組等設(shè)備，但是藥劑儲(chǔ)罐沒有安裝液位計(jì)，無法準(zhǔn)確得知藥劑的投加量；又因加藥系統(tǒng)沒有設(shè)置加藥平臺(tái)，操作空間狹窄，危險(xiǎn)系數(shù)較高，職工操作不方便，導(dǎo)致加藥系統(tǒng)一直閑置，現(xiàn)場(chǎng)采取根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將緩釋阻垢劑從循環(huán)水池中直接倒入的方式，從而進(jìn)一步導(dǎo)致加藥量波動(dòng)大。

2.3 改造前總磷數(shù)據(jù)情況

在精細(xì)化加藥控制系統(tǒng)投入使用前，對(duì)該循環(huán)水系統(tǒng)的加藥情況、水中含磷濃度進(jìn)行了分析和跟蹤，形成數(shù)據(jù)跟蹤表格和曲線，見圖2。明顯看出水質(zhì)控制存在問題，緩釋阻垢劑的投加沒有科學(xué)根據(jù)，雖然循環(huán)水中總磷保持在5±2 mg/L，但是峰值有超過8 mg/L的情況，而且波動(dòng)較大。

2.4 存在問題的分析

通過對(duì)循環(huán)水加藥系統(tǒng)的濃縮倍率控制情況、加藥系統(tǒng)設(shè)備情況、水中總磷濃度控制情況等問題進(jìn)行深入的分析，從表象的分析到深究其根本，發(fā)現(xiàn)濃縮倍率的控制、加藥設(shè)備的落后以及職工的經(jīng)驗(yàn)式投加，導(dǎo)致循環(huán)水水質(zhì)的控制不穩(wěn)定，從而對(duì)整個(gè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)、循環(huán)水輸送管網(wǎng)、生產(chǎn)機(jī)組需冷卻設(shè)備等都產(chǎn)生了或大或小的“慢性疾病”。特別是一些管徑較細(xì)的碳鋼循環(huán)水管道，尤其DN50、DN32 的管道，內(nèi)壁結(jié)瘤現(xiàn)象明顯、不斷有管道發(fā)生腐蝕漏水，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行及設(shè)備產(chǎn)生了直接的影響。

圖2 改造前總磷濃度

3 精細(xì)化加藥控制系統(tǒng)改造

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所開發(fā)的精細(xì)化加藥控制系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成：在線監(jiān)測(cè)儀器（包括電導(dǎo)率在線監(jiān)測(cè)裝置、補(bǔ)水流量計(jì)、排水流量計(jì)）、數(shù)據(jù)采集通訊系統(tǒng)、工控機(jī)控制系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)（包括帶有液位計(jì)的儲(chǔ)罐、加藥平臺(tái)、加藥計(jì)量泵、閥門組、加藥管道等）。精細(xì)化加藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 精細(xì)化加藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)功能

整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊管理系統(tǒng)，主控室HMI 作為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控、控制和管理中心。由該中心向車間各設(shè)備采集數(shù)據(jù)并發(fā)布命令，職工通過工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入性計(jì)算，得出目前循環(huán)水的需要加藥量，并進(jìn)一步得出加藥儲(chǔ)罐的液位下降數(shù)據(jù)，啟動(dòng)加藥泵，待液位下降到設(shè)定液位后，自動(dòng)停泵，完成控制。

3.2.1 在線監(jiān)測(cè)裝置功能

在線監(jiān)測(cè)裝置包括了排水流量計(jì)、補(bǔ)水流量計(jì)、循環(huán)水池液位計(jì)、電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)裝置。利用電導(dǎo)率法在線監(jiān)測(cè)循環(huán)水濃縮倍率經(jīng)過驗(yàn)證，采用電導(dǎo)率指標(biāo)替代Cl-濃度指標(biāo)測(cè)定循環(huán)濃縮倍率的方法是可行的，該方法簡(jiǎn)單、可靠，與Cl-濃度法的測(cè)定結(jié)果之間不存在顯著差異[1]。分別在一冷循環(huán)水池、二冷循環(huán)水池安裝電導(dǎo)率在線監(jiān)測(cè)裝置，通過數(shù)據(jù)采集通訊系統(tǒng)，將電導(dǎo)率值傳輸至HMI 中，并通過與補(bǔ)充新水的電導(dǎo)率對(duì)比，得出循環(huán)水的濃縮倍率，通過設(shè)置濃縮倍率控制范圍(一般設(shè)定2.0～2.5之間)，一旦濃縮倍率過高，自動(dòng)控制排水閥開關(guān)，控制強(qiáng)制排污量，并通過排水流量計(jì)將排污量傳輸至HMI。由于強(qiáng)制排污、蒸發(fā)、飄灑等因素影響，循環(huán)水不斷流失，因此需要進(jìn)行補(bǔ)充新水，通過補(bǔ)水流量計(jì)將補(bǔ)水量傳輸至HMI。在循環(huán)水池上設(shè)置有液位計(jì)，用于監(jiān)控循環(huán)水水池液位。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸及計(jì)算功能

在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)補(bǔ)水流量、排水流量、電導(dǎo)率等的監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將在線數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)紿MI 畫面中，崗位職工利用制作的專用小軟件，輸入監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，即可計(jì)算出所需要的投加總磷的量，進(jìn)而得出所需要的加藥量。通過對(duì)目前所用的緩釋阻垢劑進(jìn)行檢測(cè)，其有效成份占比為18%，假設(shè)需要加藥量N，循環(huán)水的保有量Q總，保有水量中總磷含量C(mg/L)，該濃度數(shù)據(jù)由公司質(zhì)量檢驗(yàn)部提供，強(qiáng)制排污量為Q排，補(bǔ)充新水量為Q補(bǔ)，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，無特殊情況下，每天均定時(shí)安排補(bǔ)水，補(bǔ)水前取水樣進(jìn)行檢測(cè)水中總磷含量，根據(jù)檢測(cè)的總磷含量進(jìn)行水中保有總磷的計(jì)算。按照公式N=[（5.5-C）×（Q總-Q補(bǔ)）+5.5×Q補(bǔ)]÷0.18 進(jìn)行計(jì)算，即可得出相對(duì)準(zhǔn)確應(yīng)投加的緩釋阻垢劑的重量。

3.2.3 加藥系統(tǒng)功能

加藥系統(tǒng)中的藥劑儲(chǔ)罐為內(nèi)徑2 m，高2.5 m的圓柱形儲(chǔ)罐，有效容積為7.85 m3，緩釋阻垢劑密度為1020 kg/m3，推算出，每投加100 kg 藥劑，液位約下降0.03 m。通過上述公式計(jì)算出的要求需求量，進(jìn)行N/100 的計(jì)算，即可得出完成藥劑投儲(chǔ)罐會(huì)下降的液位，崗位職工在主控機(jī)控制程序上，輸入N值即可得出下降液位數(shù)據(jù)，藥劑儲(chǔ)罐液位下降到相應(yīng)液位，加藥泵自動(dòng)停止運(yùn)行。

4 改造后運(yùn)行效果

上述改造全部完成后，對(duì)運(yùn)行效果及循環(huán)水中總磷含量數(shù)據(jù)進(jìn)行了跟蹤和分析，明顯發(fā)現(xiàn)總磷濃度相當(dāng)穩(wěn)定，基本能夠在5.5 mg/l 左右很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。詳見圖4。

圖4 改造后總磷濃度

5 結(jié)論

該精細(xì)化加藥控制系統(tǒng)投入使用后，至今已有4 年時(shí)間，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，循環(huán)水總磷濃度控制穩(wěn)定，效果明顯。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，改變了以往依靠職工經(jīng)驗(yàn)的粗獷式藥劑投加方式，形成了科學(xué)化、精細(xì)化的投加方法，每年節(jié)約藥劑費(fèi)用約15萬元。