循环冷却水处理在线监控评价设备的开发

曹生现，赵振超，李思博，陈岩飞，付从伟，任纪兵，冯保住



循环冷却水处理在线监控评价设备的开发

曹生现1，赵振超1，李思博1，陈岩飞1，付从伟2，任纪兵2，冯保住2

（1东北电力大学自动化工程学院，吉林省吉林市 132012；2山东华聚能源股份有限公司，山东邹城 273500）

开发了一种新型循环冷却水处理在线监控评价设备，用于水处理对策在线评价、优化与核心水质参数在线监控。该装置以电厂凝汽器循环冷却水的实际流态、水质、金属材质、换热强度为基础，对换热器污垢热阻、腐蚀速率及核心水质参数（pH、ORP、浓缩倍率）进行在线实时监测，以此为依据，对水处理剂加药浓度在线评价，并实时调整。设计了监控系统硬件，包括：污垢热阻检测器、腐蚀速率检测器、自动加药装置、水质参数分析仪表和工控机等，利用Delphi7.0编制了系统软件，可完成监控参数设置、实时显示、在线控制、历史数据查询、报表打印等。该装置应用于山东兖矿集团兴隆庄电厂1号机组，实验结果表明：该装置可实时评价水处理加药方案，有效地抑制污垢热阻生长，减轻换热器腐蚀，瞬时污垢热阻＜1.5×10-4m2·K·W-1，腐蚀速率＜0.005 mm·a-1，循环冷却水浓缩倍率由2倍提高到4倍，优化了水处理方案，提高了电厂经济效益。

循环冷却水处理；在线监控；优化；结垢；腐蚀

引 言

工业冷却水作为工业用水的重要部分，其用量占工业用水总量的70%左右，在某些企业中，甚至达90%～95％以上[1]。因此，工业冷却水成为工业节水的主要着眼点。在工业冷却水中普遍采用循环冷却方式[2]，提高水的重复利用率，是节约水资源和保护环境的重要途径，可大大缓解水资源的紧 张局面。冷却水的重复利用必然导致换热设备的污 垢[3-6]、腐蚀问题[7-8]，而目前国内火电厂循环冷却水水质监测大多采用离线或人员手工分析，缺少正确的监督方法和有效的处理对策，影响了电厂的安全经济运行。

20世纪90年代初，随着计算机技术的迅速发展，换热设备的监测技术也得到了很大的发展，一些监测设备相继而生。吴鹏[9]通过监测实验用毛细管中溶液流量的衰减反映其结垢趋势，设计了阻垢剂性能评价装置。孙灵芳等[10]研制了循环水阻垢率在线评价装置，并进行实验室动态模拟实验。Howarth等[11]研制了基于模拟换热器热平衡原理的过程监测器，并未进行水处理药剂评价在线监测。Mairal等[12]采用超声波技术在线监测了反渗透除盐膜上污垢的积聚，发现超声信号对于硫酸钙污垢层的变化较为敏感。Flemming等[13]利用两台浊度仪设计了一种差分浊度测量装置，对不锈钢水循环管路的污垢进行了监测研究。全贞花等[14]基于热平衡的基本原理，开发了管式换热器污垢热阻动态监测装置，该装置可记录换热表面污垢变化，并可实现结垢过程的可视化监测。宋诗哲等[15]研制了由Ag/AgCl作参比电极和Pr/Ir合金作辅助电极组成的循环冷却水系统管状金属腐蚀传感器，并将其用于黄铜管的腐蚀行为研究。然而，目前这些循环冷却水监测技术还处于实验室模拟应用阶段，同时监测装置的功能单一，主要用于热力设备污垢监测。

为此，本文开发了一种新型循环冷却水处理在线监控评价设备，用于水处理对策在线评价、优化与核心水质参数在线监控。目前该设备已应用于山东兖矿集团兴隆庄电厂，优化了电厂水处理方案，提高了经济效益。

1 方法与方案

1.1 污垢热阻测量原理

本装置按照污垢的温差监测法，即利用系统运行过程中冷却水流经换热管时的进出口温度的差值来间接计算污垢沉积量的变化，根据文献[16]，污垢热阻f可由式(1)求得

式中，wf为管壁与污垢之间的界面温度；s为管内壁污垢表面温度，利用对流换热原理来求取；热通量可通过式(2)计算确定。

(2)

式中，为容积流量；c为流体比定压热容；fi为管段流体入口温度；fo为管段流体出口温度；为管径；为管长；f为流体密度。其中管径一般情况下要比垢层厚度大得多，因此垢层厚度可忽略不计。

因此，只要测量出实验管段流体出入口温度、流量及管壁温度，应用上述关系即可确定对应的污垢热阻值。

1.2 腐蚀速率测量原理

本装置采用弱极化三点法[17]在线监测换热器腐蚀速率。该方法不受腐蚀体系线性度的限制，不破坏电极表面状态，也无须对金属腐蚀动力学方差作任何近似处理，所测腐蚀电流更接近真实值[18-19]。

弱极化三点法是在弱极化区选取3个呈比例的极化电位：Δ、2Δ和-2Δ，分别测量与之相对应的极化电流，根据金属腐蚀速率基本公式可推导出腐蚀电流密度corr，从而由腐蚀深度与腐蚀电流密度之间的换算关系式计算出腐蚀速率

式中，为金属物质的量；为金属密度；为电极有效面积。

1.3 核心水质参数在线测量与控制原理

为优化水处理方案，有效评价水处理剂浓度（阻垢缓蚀剂、杀菌灭藻剂），结合电厂已有水处理方案（投加浓硫酸、杀菌灭藻剂和阻垢缓蚀剂）和循环冷却水补水特征，该装置选择与污垢、腐蚀、微生物生长和阻垢缓蚀剂、杀菌灭藻剂浓度关联度较大、易于检测的水质参数：pH、氧化还原电位（ORP）和电导率（用于计算浓缩倍率）作为循环冷却水核心控制参数[20]，并进行在线监测与控制。

（1）浓缩倍率监测与控制：装置以电导率法计算浓缩倍率[21]，其关系式为

式中，为浓缩倍率；1为循环冷却水电导率；2为补充水电导率。

系统软件根据在线计算的浓缩倍率与设定值差值自动控制补水和排污电动阀的启停，从而控制循环水浓缩倍率在设定的范围内波动。

（2）pH监测与控制：通过在线仪表对pH进行在线实时测量，并将实时测量值与系统设定值比较，超过设定值上限按照设定的上限加酸量加酸，在设定值上限与下限之间时按照下限加酸量加酸，低于设定值下限停止加酸，从而调整pH稳定。

（3）ORP监测与控制：通过在线仪表对ORP值进行实时测量，并对实时测量值与系统软件设定的上限值及下限值进行差值比较，控制计量泵的启停和开度，从而实时调整杀菌灭藻剂的投加量，控制ORP稳定。

1.4 药剂浓度在线评价原理

在核心控制参数稳定的基础上，通过在线监测系统实时监测换热器的污垢热阻及腐蚀速率，判断水质结垢和腐蚀倾向，记录该浓度下污垢诱导期及腐蚀速率，并调整药剂浓度，使循环水系统药剂浓度增加Δ，并连续监控污垢热阻及腐蚀速率。从而完成对循环冷却水处理剂浓度在线评价及调整，优化水处理方案。

2 监控评价装置设计

2.1 硬件设计

监控装置硬件结构如图1所示，在线监控评价装置硬件设计特点如下。

图1 系统硬件结构

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）污垢热阻在线检测器：在线检测器直接将自制的模拟监测换热器接于电厂换热器循环冷却水系统的旁路，以电厂换热器冷却水的实际流态、水质、金属材质、换热强度为基础，通过系统采集模块对换热管的壁温、换热管进出口温度及循环水流速进行采样，根据温差监测法建立的污垢热阻模型进行自动计算，实现了对换热器污垢热阻的在线监测。

（2）腐蚀速率在线检测器：采用自制的与换热管同材料、同内径的管状三电极系统，换热管材质为304不锈钢（06Cr19Ni10），钢管规格：25 mm×1.5 mm，外径25 mm，管壁厚1.5 mm，3个电极都是线切割，切割缝隙0.4mm，120°三等分加工。为确保电极段的管内流场与换热管内流场完全相同，在线检测器测得腐蚀电流经恒电位控制电路转换成电压信号，再由数据采集模块将转换来的电压信号采集到工控机中，利用系统软件根据采集的电压信号自动完成腐蚀速率的在线计算。

（3）在线监控评价装置系统集成：装置集成了电导率、pH和ORP在线监测仪表，结合系统软件完成对核心在线监控参数（浓缩倍率、pH、ORP）的在线监控，并将其与污垢热阻在线检测器、腐蚀速率在线检测器和自动加药控制装置结合，形成了一个闭环监测评价控制回路。

2.2 软件设计

系统软件功能总体分为参数设置、监控参数实时显示、监控参数在线控制、历史查询、报表打印等，系统软件框图如图2所示。

图2 系统软件框图

（1）主界面：在系统主界面中对所采集的各参数进行处理、运算，得出污垢热阻及腐蚀速率数值，为主界面和图形显示提供数据支持。

（2）加药控制模块：用户可根据需要在相应参数中设定各项核心控制参数的控制范围，增强了在线实时调整的灵活性，可根据不同补充水水质，对核心控制参数的控制范围进行在线调整，满足不同水质需求。

（3）参数设置模块：用户可根据电厂换热管的实际情况，在参数设置模块中对换热管的材质、长度及内径进行设定，满足了不同换热器的监控要求，扩大了装置的使用范围。

（4）历史查询和报表打印模块：可将核心控制参数、污垢热阻、腐蚀速率及进出口温度、流速等历史数据保存为excel文档，并可根据需要打印报表存档。

3 监控设备运行数据分析

为考察监控设备的可靠性和功能实用性，该装置安装于山东兖矿集团兴隆庄电厂1号机组，进行实验运行，对该机组循环冷却水系统进行了在线监控，并对其投加水处理剂浓度进行了在线评价及 调整。

3.1 核心水质参数监控数据分析

以该装置对现场循环水浓缩倍率、pH及ORP在线调整过程及调整前后的11 d监控数为例，对其监控效果进行分析，浓缩倍率、pH及ORP的监控曲线如图3～图5所示。图中前5天为系统调试阶段数据，从第5天开始，在系统软件中将浓缩倍率设定为4倍，pH下限值设置为8.3，上限值设置为8.4，ORP上限设置为310 mV，下限设置为300 mV。由图3所示，浓缩倍率在第5天出现下降，并最终平稳在4倍。图4中pH在4～5 d之间出现了上升，这是由于调整过程中，停止了加酸计量泵工作，第5天开始对其进行控制后，pH下降并控制在设定值8.3～8.4之间。由图5所示，ORP第5天开始上升，这是由于在第5天系统对氧化性杀菌剂的投加量进行了在线控制，从而使得系统ORP值控制在设定的300～310 mV之间。

图3 浓缩倍率曲线

图4 pH曲线

图5 ORP曲线

从监控数据的分析可以看出本装置对浓缩倍率、pH及ORP的在线监测数据与实际相符，能够真实地反映现场的循环冷却水核心水质参数，且能够将其控制在设定范围内。

3.2 污垢热阻、腐蚀速率监测结果分析

药剂浓度选取对水处理效果起着重大作用，浓度过低不能达到理想的处理效果，浓度过高浪费药剂，污染环境。因此，在线监测了投加阻垢缓蚀剂浓度分别为75、100 mg·L-1的污垢热阻及腐蚀速率，并针对电厂补充水水质，实时控制浓缩倍率为4，pH为8.3～8.4，ORP为300～310 mV。污垢热阻及腐蚀速率曲线分别如图6、图7所示。

图6 污垢热阻曲线

图7 腐蚀速率曲线

由图6表明，随着药剂浓度的增大，污垢热阻值在实验初期趋势基本相同，但在污垢快速生长阶段，随着药剂浓度的增大，污垢热阻值增长明显缓慢，并且趋于平稳。在线调整系统加药浓度为100 mg·L-1后，污垢热阻值诱导期明显增长，在31 d时，其瞬时热阻值仍然＜1.5×10-4m2·K·W-1，且基本趋于平稳。

图7中开始腐蚀速率曲线均呈现上升趋势，这是由于新管子还没有形成钝化膜，在形成钝化膜后腐蚀速率下降。投加阻垢缓蚀剂75 mg·L-1时，腐蚀速率初期基本平稳在0.004 mm·a-1左右，在第17天左右，由于管壁结垢产生垢下腐蚀，伴随着污垢热阻的上升腐蚀速率也出现了上升趋势，最终平稳在0.007 mm·a-1，在对阻垢缓蚀剂的投加浓度调整为100 mg·L-1后，腐蚀速率的平稳值基本控制在0.004 mm·a-1。

换热管腐蚀速率测量的弱极化三点法与国标挂片法（GB 50050—2007）相比存在一定的差别，主要影响因素为：（1）监测位置流速的影响，因为流速对腐蚀速率起加速作用，三电极系统的腐蚀速率在线检测器串接在换热管上，挂片法一般放在冷却水浴中，换热管内冷却水流速相对水浴要大；（2）腐蚀电流/电压信号的转换电路存在零点漂移，检测值与真实值相比有一定偏差；（3）腐蚀速率在线检测器所测为微弱信号，容易受到外界的干扰。

综上，在核心控制参数控制范围内，选取药剂浓度为100 mg·L-1时，可以满足电厂对循环冷却水处理效果的需要，污垢热阻及腐蚀速率均达到了《工业循环冷却水处理设计规范》（GB 50050—2007）国家标准，有效地抑制了污垢热阻生长，减轻了换热器腐蚀，从而在安全提高浓缩倍率到4倍的情况下，优化了水处理方案，节约了水资源，提高了电厂效益。

4 结 论

（1）开发了循环冷却水在线监控评价装置，实现对电厂换热管的结垢与腐蚀情况实时在线监测功能。

（2）装置可适用于不同补充水水质和不同参数管壳式换热器的水处理方案在线评价及优化，应用前景广。

（3）设备将监测与药剂的管理结合在一起，使得系统装置形成了一个闭环回路，实现了换热器在线监测和水处理剂浓度评价、实时调整。

（4）工业应用实验结果表明：该设备功能完善，稳定性好，优化了水处理方案，节约用水，提高电厂经济效益。

符 号 说 明

cp——流体比定压热容，J·kg-1·K-1 d——换热管管径，m G——容积流量，m3·h-1 Icorr——腐蚀电流密度，mA·cm-2 K1，K2——分别为循环冷却水电导率、补充水电导率，S·m-1 l——换热管长度，m N——浓缩倍率 q——热通量，J·m-2·S-1 Rf——污垢热阻，m2·K·W-1 S——电极有效面积，cm2 Tfi，Tfo——分别为管段流体入口温度、管段流体出口温度，℃ Twf，Ts——分别为管壁与污垢之间的界面温度、管内壁污垢表面温度，℃ vcorr——腐蚀速率，mm·a-1 ρf，ρm——分别为流体密度、换热管金属密度，kg·m-3

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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

国家自然科学基金项目（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。

联系人及第一作者：曹生现（1974—），男，博士，教授。