中央空調循環冷（熱）媒水系統水質分析與建議

庫慧益，侯忠平

（武漢卷煙廠，湖北 武漢 430000）

0 引言

武漢卷煙廠中央空調系統制冷機組制冷總量為7500RT，中央空調系統水系統分為三部分，循環冷卻水，冷媒水和熱媒水系統。循環冷（熱）水系統是以市政自來水作為補水，循環冷（熱）媒水系統為密閉式系統，水分不蒸發，不濃縮，全年運行，循環冷（熱）媒水系統供給空調箱，生產工藝設備，生產車間區 、辦公區域以及生活區域使用。系統構造復雜，有的分開獨立運行，有的交替運行，有的共用一路水管。這對水系統水質要求更高，才能確保多方面運行需求。目前系統運行一年多，未做水質保養，也未有其它水處理設施處理水質。系統末端已發現有腐蝕現象和結垢現象。制冷機組蒸發器小溫差偏高，有時達到4.3℃。根據此現象我們對循環冷（熱）媒水及補水分析，根據分析結果，采取措施，解決問題，為確保冷（熱）媒水系統長期正常、高效率運行，對冷（熱）媒水系統提出改善建議。

1 水質分析情況

1.1 補充水水質分析

武漢卷煙廠中央空調系統循環冷（熱）媒水補充水是市政自來水作為補充水，其補充水水質分析數據：PH值：7.21，總溶固：253.5mg/l，濁度：0.35NTU，鈣硬度：125.2mg/l，堿度：145.2mg/l，總鐵：0.08mg/l。

利用Langelier飽和指數①（簡稱：L.S.I.指數）和Ryznar穩定指數①（簡稱：R.S.I.指數）對該水質在一定溫度下進行理論判斷，結果見表1所示。

表1 L.S.I.和R.S.I.指數計算結果

1.2 循環冷媒水水質分析

循環冷媒水系統未做水質保養。循環冷媒水水質分析數據：PH值：7.83，總溶固：262.8mg/l，濁度：15.32NTU，鈣硬度：120.5mg/l，堿度：152.3mg/l，總鐵：4.32mg/l。

利用Langelier飽和指數（簡稱：L.S.I.指數）和Ryznar穩定指數（簡稱：R.S.I.指數）對該水質在一定溫度下進行理論判斷，結果見表2所示。

表2 L.S.I.和R.S.I.指數計算結果

1.3 循環熱媒水水質分析

循環熱媒水系統未做水質保養。循環熱媒水水質分析數據：PH值：8.62，總溶固：268.3mg/l，濁度：25.35NTU，鈣硬度：112.7mg/l，堿度：158.6mg/l，總鐵：3.45mg/l。

利用Langelier飽和指數（簡稱：L.S.I.指數）和Ryznar穩定指數（簡稱：R.S.I.指數）對該水質在一定溫度下進行理論判斷，結果見表3所示。

表3 L.S.I.和R.S.I.指數計算結果

1.4 對腐蝕產物與水垢分析

取腐蝕顆粒物做晶相分析，結果鐵含量85.6%，說明是鐵的氧化物。對水垢用1：1鹽酸溶解，產生大量汽泡，說明是二氧化碳氣體。取水垢顆粒物做晶相分析，結果鈣含量78.8%，說明水垢是碳酸鈣水垢為主。

1.5 對循環冷（熱）媒水模擬腐蝕速率檢測

在未做水質保養前，對循環冷（熱）媒水模擬腐蝕速率檢測其結果：碳鋼平均腐蝕速率是0.12853mm/a和0.13557mm/a，大于GB/T50050-2017《工業循環冷卻水處理設計規范》標準（以下都簡稱為《規范》）中0.075mm/a限值②要求。

對上述各水系統水質分析可知，水的PH值隨溫度升高而上升，是因管道是金屬材料碳鋼管為主，在循環傳熱過程中水中氫離子與金屬反應，消耗了氫離子，所以PH值上升，故鐵含量也上升，從模擬腐蝕試片看水質處于腐蝕狀態。從L.S.I.和R.S.I.指數判斷看，補水水質在這區間溫度都是腐蝕狀態，循環冷媒水也是處于腐蝕與微結垢狀態，循環熱媒水是處于微腐蝕與結垢狀態。從實際維修設備及管道時發現有腐蝕產物和結垢產物以及排放出銹色水質，驗證這判斷是正確性。

2 水系統中金屬腐蝕與結垢機理分析

2.1 金屬腐蝕機理分析

金屬腐蝕是一個電化學過程。陽極區、陰極區，水溶液三者構成一個腐蝕電池。由于碳鋼的金屬表面并不均勻，當它與水接觸時會形成許多微小腐蝕電池（微電池）。其中活潑的部位成為陽極，腐蝕學上稱為陽極區，而不活潑的部位成為陰極，腐蝕學上稱為陰極區。

在陽極區，碳鋼氧化生成亞鐵離子進入水中，并在碳鋼的金屬基體上留下兩個電子。與此同時，水中的溶解氧則在陰極區接受從陽極區流過來的兩個電子，還原為OH-。這兩個電極反應可以表示為：

在陽極區（碳鋼金屬基體）：陽極反應Fe→Fe2++2e

在陰極區（水中氧）：陰極反應1/202+H2O+2e→20H-

當亞鐵離子和氫氧根離子在水中相遇時，就會生成Fe（OH）2沉淀

腐蝕產物：在水中Fe2++20H-→Fe（OH）2↓

氫氧化亞鐵極易氧化成紅棕色的鐵銹：

Fe（OH）2+1/2 02+nH2O-----Fe（OH）3·nH2O↓

如果水中的溶解氧比較充足，則Fe（OH）2會進一步氧化，生成黃色的銹Fe2O3·H2O。如果水中的氧不充足，Fe（OH）2進一步氧化為綠色的水合四氧化三鐵或黑色的無水四氧化三鐵。

2.2 結垢機理分析

天然水中溶解有各種鹽類，如重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽等。其中以溶解的重碳酸鹽如Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2為最多，也最不穩定，容易分解生成碳酸鹽。當它通過換熱器傳熱表面時，會受熱分解，溶解在水中的CO2會逸出，此時，重碳酸鹽在堿性條件下也會發生如下的反應Ca（HCO3）2+20H→CaCO3↓+2H2O+CO3

當水中溶有氯化鈣時，還會產生下列置換反應CaCl2+CO3→CaCO3↓+2C1-

如水中溶有適量的磷酸鹽時，生成微溶性磷酸鈣，其反應為2PO4-+3Ca2+=Ca3（PO4）2↓

上述一系列反應中生成的碳酸鈣和磷酸鈣均屬微溶性鹽，它們的溶解度比氯化鈣和重碳酸鈣要小得多。碳酸鈣和磷酸鈣的溶解度與一般的鹽類不同，它們不是隨著溫度的升高而升高，而是隨著溫度的升高而降低。因此，在換熱器的傳熱表面上，這些微溶性鹽很容易達到過飽和狀態，而從水中結晶析出。當水流速度比較小或傳熱面比較粗糙時，這些結晶沉積物就容易沉積在傳熱表面上。

此外，水中溶解的硫酸鈣、硅酸鈣、硅酸鎂等，當其陰、陽離子濃度的乘積超過其本身溶度積時，也會生成沉淀沉積在傳熱表面上。這類沉積物通常稱為水垢。由于這些水垢結晶致密，比較堅硬，它們通常牢固地附著在換熱表面上，不易被水沖洗掉。大多數情況下，換熱器傳熱表面上形成的水垢是以碳酸鈣為主。

3 處理措施

根據對水質分析判斷、腐蝕產物和水垢分析、腐蝕與結垢的機理分析，在實際操作中不停機情況下處理水系統，建議采取以砂濾加水處理藥劑處理措施，人工輔助末端排污及過濾器清洗和蒸發器通泡清洗，能解決以下問題。

3.1 水質渾濁度與銹蝕物問題處理

采用砂濾處理。在主管上增加旁濾系統，旁濾系統以砂濾除去水中沉積物和懸浮物，使用濁度降到標準控制范圍內。

3.2 腐蝕與結垢問題處理

采用添加惠隆水處理公司生產的SFZ-114復合型阻垢緩蝕劑。此水處理藥劑以無機亞硝鹽，鉬酸鹽為主要成分復配合成水處理劑，配以含磺酸離子性多元高分子聚合物及芳香族唑類復合而成的阻垢緩蝕劑。對銹蝕物有分散絡合清除功能，清除后金屬表面成氧化性防蝕膜，藥劑有機無磷阻垢劑和分散劑[1-3]。能降低和干擾碳酸鹽垢沉積的速度，對二價金屬離子具有優良的螯合性能，對碳鋼和銅有良好的緩蝕作用。增加添加水處理藥劑輔助設備，并在線檢測與水質監控設備。對冷媒水系統與熱媒水系統采用針對性的控制指標。對系統腐蝕性采用掛片式監測[4-6]。

3.3 人工輔助末端排污及過濾器清洗和蒸發器通泡清洗

因末端沉積物系統運行的局性限，定期人工輔助末端排污及過濾器清洗，把末端沉積物定期排放與清理。制冷機組蒸發器通泡處理。

4 現場應用效果

經過一年運行處理，循環冷（熱）媒水系統水質數據明顯變好，循環冷媒水水質主要變化參數如：PH值：9.82，濁度：2.53NTU，總鐵：0.25mg/l。循環熱媒水水質主要變化參數如：PH值：9.87，濁度：3.55NTU，總鐵：0.23mg/l。

在做水質保養后，對循環冷（熱）媒水模擬腐蝕速率檢測其結果：碳鋼平均腐蝕速率是0.00832mm/a和0.00886mm/a，小于GB/T50050-2017《規范》中0.075mm/a限值，符合規范》中要求。

從上面數據分析看濁度與總鐵下降明顯。目前水質很清。蒸發器小溫差由4.3℃到目前下降到0.5℃，末端過濾器沉積物很少，大部分過濾很干凈。腐蝕速率由未做水處理前大于《規范》限值到處理一年后腐蝕速率遠遠小于《規范》限值，下降趨勢明顯，從維修情況看，系統末端未發現有腐蝕現象和結垢現象。

5 經濟收益

對武漢卷煙廠中央空調系統冷（熱）媒水系統水質改善后，制冷機組換熱效率大大提高，能耗降低明顯。經統計，全年冷機系統COP約提高2～4%，同時減少了換水頻次，節約水量達到約為40%。同時有效降低每年系統維護、清洗費用，腐蝕速率減滿則延長了設備及系統管道的使用年限，為企業創造了巨大的經濟效益。

6 結語

對于閉式系統來說，雖然補水量小，水質雖然較為穩定，但是系統管道結構復雜，閥門眾多，建造過程中管道內存留的焊渣及雜物，多種金屬材料混用，不可避免帶來腐蝕，只是速率相對較慢，結果呈現不顯著，不容易引起企業的重視。但從長遠來看，閉式循環系統水處理是十分必要的，以武漢卷煙廠中央空調系統冷（熱）媒水系統為例，結合理論與實際情況，提出改善建議，通過采取一系列物理、化學及管理措施方法，有效降低了系統故障率，提高系統保障能力，驗證了各舉措的合理性，同時投入較小，回報大，值得行業重視與推廣。