循環冷卻水緩釋阻垢劑投加的精細化控制實踐

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

隨著工業的發展，水資源的消耗也成為限制發展的重要因素，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。由于水的化學穩定性好、熱容量大、沸點較高，在大多數工業生產企業中，為了節約水資源，都建有循環水泵站，用以提高水的循環使用率。而循環冷卻用水的水質要求普遍較高，特別是循環水，要求不易結垢、不易對金屬設備及管道產生腐蝕、不易滋生菌藻，并且對水的硬度、濁度、濃縮倍率都有一定的要求。因此，緩釋阻垢劑的投加，對結垢控制、腐蝕控制尤為重要。某公司通過多年的現場生產實踐及理論分析，建立了一套緩釋阻垢劑投加的精細化控制系統，實現了循環水水質穩定、安全運行，并降低了藥劑成本及人員勞動強度。

1 循環水工藝介紹

循環水冷卻系統分為密閉式和敞開式，某公司采用的是敞開式間接凈環冷卻系統，采用抽風逆流式冷卻塔。

循環水系統分為一冷循環系統和二冷循環系統，一冷循環系統保有水量為8 000 m3，二冷循環系統保有水量為14 500 m3，均采用自灌式離心泵輸送，單臺泵的輸送能力為3 800 m3/h。系統設置有一冷旁濾系統和二冷旁濾系統，過濾水量分別為各系統保有水量的5%，用以保證循環水的懸浮物能夠達到水質要求，防止在長期循環使用過程中的積泥從而影響換熱效率。該系統運輸介質管道為碳鋼材質，主要為生產線的水冷電機、液壓站、換熱器等需冷卻設備提供冷卻水換熱，因此，防止管道內壁結垢和腐蝕是關系到生產設備的安全運行的問題，最終影響公司的穩定生產和成本控制。根據生產機組設備對循環水水質的要求，通常控制循環水濃縮倍率在2～2.5 之間，根據所使用的緩釋阻垢劑磷含量情況，控制循環水中總磷應保持在5±2 mg/L 左右，氯根控制在60～75 mg/L。各系統凈環供水池分別設置有補水管道和強制排污管道，確保新水補充和污水外排，用以控制循環水的濃縮倍率。具體工藝流程如圖1。

2 改造前加藥系統存在的問題

2.1 改造前濃縮倍率的控制情況

改造前對濃縮倍率的控制采取氯離子濃度控制的方法，每天對循環水進行取樣化驗其中氯離子的濃度，與補充新水中的氯離子濃度進行對比，得出所測循環水中的濃縮倍率，根據濃縮倍率情況進行補充新水和排放污水。濃縮倍率調整滯后，崗位操作人員需要待實驗室得出濃縮倍率后，再進行補水和排水，不能直接指導現場的生產運行。

2.2 改造前的加藥設備情況

改造前的加藥設備系統有藥劑儲罐、攪拌機、計量泵、閥門組等設備，但是藥劑儲罐沒有安裝液位計，無法準確得知藥劑的投加量；又因加藥系統沒有設置加藥平臺，操作空間狹窄，危險系數較高，職工操作不方便，導致加藥系統一直閑置，現場采取根據經驗將緩釋阻垢劑從循環水池中直接倒入的方式，從而進一步導致加藥量波動大。

2.3 改造前總磷數據情況

在精細化加藥控制系統投入使用前，對該循環水系統的加藥情況、水中含磷濃度進行了分析和跟蹤，形成數據跟蹤表格和曲線，見圖2。明顯看出水質控制存在問題，緩釋阻垢劑的投加沒有科學根據，雖然循環水中總磷保持在5±2 mg/L，但是峰值有超過8 mg/L的情況，而且波動較大。

2.4 存在問題的分析

通過對循環水加藥系統的濃縮倍率控制情況、加藥系統設備情況、水中總磷濃度控制情況等問題進行深入的分析，從表象的分析到深究其根本，發現濃縮倍率的控制、加藥設備的落后以及職工的經驗式投加，導致循環水水質的控制不穩定，從而對整個循環冷卻系統、循環水輸送管網、生產機組需冷卻設備等都產生了或大或小的“慢性疾病”。特別是一些管徑較細的碳鋼循環水管道，尤其DN50、DN32 的管道，內壁結瘤現象明顯、不斷有管道發生腐蝕漏水，對生產運行及設備產生了直接的影響。

圖2 改造前總磷濃度

3 精細化加藥控制系統改造

3.1 系統結構

所開發的精細化加藥控制系統主要由4部分構成：在線監測儀器（包括電導率在線監測裝置、補水流量計、排水流量計）、數據采集通訊系統、工控機控制系統、加藥系統（包括帶有液位計的儲罐、加藥平臺、加藥計量泵、閥門組、加藥管道等）。精細化加藥控制系統結構框圖見圖3。

圖3 精細化加藥控制系統結構框圖

3.2 系統功能

整個系統是一個小型計算機網絡通訊管理系統，主控室HMI 作為整個系統的監控、控制和管理中心。由該中心向車間各設備采集數據并發布命令，職工通過工控機對數據采集系統采集的數據進行輸入性計算，得出目前循環水的需要加藥量，并進一步得出加藥儲罐的液位下降數據，啟動加藥泵，待液位下降到設定液位后，自動停泵，完成控制。

3.2.1 在線監測裝置功能

在線監測裝置包括了排水流量計、補水流量計、循環水池液位計、電導率監測裝置。利用電導率法在線監測循環水濃縮倍率經過驗證，采用電導率指標替代Cl-濃度指標測定循環濃縮倍率的方法是可行的，該方法簡單、可靠，與Cl-濃度法的測定結果之間不存在顯著差異[1]。分別在一冷循環水池、二冷循環水池安裝電導率在線監測裝置，通過數據采集通訊系統，將電導率值傳輸至HMI 中，并通過與補充新水的電導率對比，得出循環水的濃縮倍率，通過設置濃縮倍率控制范圍(一般設定2.0～2.5之間)，一旦濃縮倍率過高，自動控制排水閥開關，控制強制排污量，并通過排水流量計將排污量傳輸至HMI。由于強制排污、蒸發、飄灑等因素影響，循環水不斷流失，因此需要進行補充新水，通過補水流量計將補水量傳輸至HMI。在循環水池上設置有液位計，用于監控循環水水池液位。

3.2.2 數據傳輸及計算功能

在線監測裝置對補水流量、排水流量、電導率等的監控，通過數據傳輸系統將在線數據全部傳輸到HMI 畫面中，崗位職工利用制作的專用小軟件，輸入監控數據，即可計算出所需要的投加總磷的量，進而得出所需要的加藥量。通過對目前所用的緩釋阻垢劑進行檢測，其有效成份占比為18%，假設需要加藥量N，循環水的保有量Q總，保有水量中總磷含量C(mg/L)，該濃度數據由公司質量檢驗部提供，強制排污量為Q排，補充新水量為Q補，根據生產實踐經驗，無特殊情況下，每天均定時安排補水，補水前取水樣進行檢測水中總磷含量，根據檢測的總磷含量進行水中保有總磷的計算。按照公式N=[（5.5-C）×（Q總-Q補）+5.5×Q補]÷0.18 進行計算，即可得出相對準確應投加的緩釋阻垢劑的重量。

3.2.3 加藥系統功能

加藥系統中的藥劑儲罐為內徑2 m，高2.5 m的圓柱形儲罐，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。通過上述公式計算出的要求需求量，進行N/100 的計算，即可得出完成藥劑投儲罐會下降的液位，崗位職工在主控機控制程序上，輸入N值即可得出下降液位數據，藥劑儲罐液位下降到相應液位，加藥泵自動停止運行。

4 改造后運行效果

上述改造全部完成后，對運行效果及循環水中總磷含量數據進行了跟蹤和分析，明顯發現總磷濃度相當穩定，基本能夠在5.5 mg/l 左右很小的范圍內波動。詳見圖4。

圖4 改造后總磷濃度

5 結論

該精細化加藥控制系統投入使用后，至今已有4 年時間，監測數據準確、可靠，循環水總磷濃度控制穩定，效果明顯。該系統投入運行后，改變了以往依靠職工經驗的粗獷式藥劑投加方式，形成了科學化、精細化的投加方法，每年節約藥劑費用約15萬元。