循环冷却水加酸处理在工业应用实例

原云峰

（山西机电职业技术学院电气工程系，山西 长治 046011）

循环冷却水加酸处理在工业应用实例

原云峰

（山西机电职业技术学院电气工程系，山西 长治 046011）

提高浓缩倍数成为现代企业节约水资源的常用手段，系统以加浓硫酸的方式，保证循环冷却水系统的pH值稳定在7.0～8.5之间。在水稳定剂辅助的情况下，保证系统管路不腐蚀不结垢，并大幅提高循环水的浓缩倍数。系统实现了以pH值为负反馈的完全自动化控制，系统的实时状态可通过1块触摸屏进行人机交互，可大幅降低人员的劳动强度，增加了完善的报警系统，消除了安全隐患。

循环冷却水；自动控制；浓缩倍数

1 项目背景

随着经济的发展，工业用水量日益增大，而冷却用水占工业总用水量的70%左右［1］。目前国内水冷火电机组节水的主要思路是降低新鲜水取水量、减少循环水的排水量［2］。随着水资源的紧缺，企业都摒弃了直流供水的方式，采取了循环冷却水的方式去减少冷却水的补充，并且希望提高浓缩倍数以继续减少水资源的使用。在循环冷却系统中，循环水质和补充的新鲜水量是企业最为关心的参数，这2个参数由浓缩倍数决定，浓缩倍数的定义值为新鲜补充水与循环中水的盐度的比值。在冷却水循环的过程中，会出现水分蒸发，但其中的离子不会随之蒸发而保存在循环管路中。随着循环水浓缩倍数的提高，水质的结垢和腐蚀倾向也会越来越严重［3］。其中的CaCO3，MgCO3等难溶于水，盐会因超饱和度后析出结垢，且结垢程度会随超出的饱和度上升而增加。所以定期需要强制排除一部分高硬度水，补充新的水源。这就出现了一个矛盾，想节约水资源就会造成管道的结垢问题，管道的结垢会对系统造成很大的负担，每1 mm的水垢会降低10%～20%的换热效率。解决这种矛盾的一种行之有效的方式就是加酸去稳定循环水的pH值，保证不结垢的情况下提高浓缩倍数。浓缩倍数和节水量是非线性的，随着浓缩倍数的增大，节水量会趋于平缓，并且由于浓缩倍数过高，对水质稳定剂和加酸计量更为敏感，絮状沉淀物会增多，引起的腐蚀和结垢问题会带来很大的负增益。所以，浓缩倍数需要高但不宜过高，应视具体情况而定。不少老的处理系统技术落后，自动化程度低、运行效率低［4］。在某企业中，对循环冷却水的处理方式还是很原始的人工加酸，这种方式存在很大的问题。在控制方面，加酸调节pH值时间周期长，重力加酸方式使得加酸量线性程度差，加酸量不可控。且pH值在中性范围为非线性状态，所以控制效果抖动大，循环水极易出现过碱结垢或是过酸腐蚀。在人力成本上，加酸地点距离厂房较远，费时费力，储酸罐最大容量设计不足，需要频繁加酸。工业硫酸属化学危险品，容易造成人员伤害［5］。因此，企业急需一套安全可靠的循环冷却水自动控制方案，来降低人力成本，提升浓缩倍数，节约水资源，稳定循环水质量，防止设备结垢和腐蚀的自动控制方案，并且完成在厂房中可以远程监视和控制整个循环冷却水的实时状态，降低人员的劳动强度。

2 项目实施

2.1 管路改造

原管路为双路冷却塔，在原系统的基础上每路冷却管道在加酸位置后50 m处增加1个U型管道，用于pH测试仪采样取值。为避免人员接触硫酸的可能性，增加1台卸酸泵，增加2台容积为12.5 m3的储酸罐，当硫酸厂运来硫酸时，通过卸酸泵自动将硫酸打到储酸罐中。选用泵的参数为：额定功率3 kW，最大流量25 m3/h，最大出口压力2 MPa。在储酸罐中增加1个翻球式磁浮液位计，用以指示当前硫酸储备值，并将此数值转化为4～20 mA的电气信号送给PLC。因为系统采用的是98%的浓硫酸，腐蚀性极强，故卸酸泵的通流部分需采用氟塑料，储酸罐材质需为碳钢。

2.2 整体方案

整体回路控制方案如图1所示。系统将检测和实施器件放置在远离厂区的管路附近，将负责运算的PLC和人机交互控制的触摸显示屏放在厂区中，实现了人员在办公室就可以完成对系统的实时监视和控制。在系统整体流程上，PLC通过接收2路pH检测仪的电气信号，经过内部PID运算后，将结果转换成电气信号，通过控制冲程调节器和变频器，完成对加入硫酸量的控制，PLC与1台触摸屏连接，实现上位机功能，完成对系统的实时检测和控制，整体方案实现以循环冷却水

pH值作为负反馈的自动控制系统。

图1 控制方案Fig.1 Control plan

2.3 系统功能和具体实现

传统的工业控制系统会采用PLC和组态软件的结合，通过1台台式电脑完成人机交互，这种方案不仅前期研发时间长，且会增加控制系统成本，且台式电脑和工控软件的引入也会增加操作人员能力的门槛。本系统采用的是PLC加触摸显示屏的最小系统，触摸屏有着非常好的人机交互效果，降低成本的同时还增强了稳定性，便于安装和维护，故采用触摸屏取代了台式电脑。

循环水的检测通过智能pH测试仪实现，选用精度可达到0.01 pH的仪器，在测试仪液晶屏实时显示循环水pH值的同时，将pH值自动转成4～20 mA的电气信号送给PLC。PLC选用台达的DVP-ES2，与其他控制器相比较，这款PLC可扩展模块丰富，I/O口充足，自带RS485逻辑，内部集成PID运算指令，且与所选的上位机兼容性好，价格更低廉。需要PLC完成输入/输出标准的电气信号功能，故增加A/D和D/A模块，由于担心PLC本体的24 V带载能力差，所以附加模块用独立的DC 24 V直流源供电。

系统在自动模式下，PLC运算后的结果会输出给变频器，通过改变变频器的频率来控制每次加硫酸的量，此外和加酸计量泵配套的冲程调节器也会影响添加硫酸量，在变频器数值稳定的情况下，冲程调节器设置的数值和添加硫酸的量成正比。PID参数由设备提供方调试完成后，默认不得修改，但是随设备性能下降或水质随季节变化等因素，修改PID参数危害较大，极易出现控制效果震荡，造成管路腐蚀或者结垢，故增加一处可以线性添加的硫酸量。冲程余量设计不宜过大，过大的余量设计会造成阀门在常态下开度小，出现压损大的问题。本方案中，冲程位置h（%）按照最大加酸量和计量泵最大流量比值的2倍来设定。由于加入的硫酸浓度过高，在隔膜计量泵后端增加缓冲器，使浓硫酸与水充分混合，防止硫酸加入的附近管路会因浓度过高造成腐蚀情况。在实际生产过程中，会出现各种突发情况，故系统在设计时，添加了手动控制和加酸设备的余量设计。在系统需要人为干预时，可以通过上位机选择变频器的手动控制功能，变频器选用的是FVR-ES9，将手动控制的I/O与控制面板上的旋位电阻器相连，通过旋转电位器完成对变频器的手动控制，间接控制加入硫酸量。2路冷却水管路中，都配备1套常用、1套备用的加酸设备，以保障生产的平稳。

2.4 人机交互

整个装置通过触摸屏完成人机交互，MT506Se-View触摸屏与台达PLC通过RS485总线链接，触摸屏的软件由电脑端编程后下载。此款触摸屏的配套编程系统优化度较高，全程可视化编程，配有脱离PLC的离线调试模式，大大缩短了研发时间。软件分为4个模块：变频器控制、计量泵控制、状态显示和PID参数调节。通过触摸屏可以控制PID参数的设定，选择变频器的手、自动模式和工、变频模式，选择计量泵的开关状态和冲程位置。为了应对一些特殊情况，在触摸屏上选择手动模式后，添加硫酸量就不再由PLC控制输出，由操作员手动控制。此外通过触摸屏还可以观测系统中各部件的状态，例如循环冷却水实时的pH值、各个变频器和计量泵的状态、储酸罐的液位以及报警状态的复位，在pH值小于6和大于9的状态下，或是储酸罐液位低于安全值的时候，系统会触发报警状态，报警状态可以通过触摸屏关闭。

2.5 算法

本系统采用传统的PID参数调节算法。PLC内部集成PID算法，只需要通过API88这条指令就可以方便地完成PID参数的设定。由于pH值在中性点线性度极差，用PID算法控制pH值极易出现震荡的情况，故设立死区，在pH值处于7.0～8.5之间，系统不进行控制动作，只有pH值大于8.5之后，系统才开始进行响应。系统的采样周期为2 s，每记录1个数值，都会和之前之后的2个数值去做比较，如果相差值过大，则会去除这个数值，以避免错误数据引起系统不稳定。系统每1 min将所储存的有效数据取平均值，以此完成1次加硫酸控制行为。软件流程整体展开如图2所示。

图2 软件流程Fig.2 Software process

3 结论

系统在运行中，应加入对应的水稳定剂，pH值稳定在7.0～8.5之间时，在缓蚀剂保证系统不会被腐蚀的情况下提升浓缩倍数。某地火力发电厂的实际运行中，常年将浓缩倍数稳定在4.35之上，减少补充水量约3成，且可以有效防止管路结垢、提高系统管理的负荷能力。新系统在现场运转平稳，控制稳定。自动化程度的提高，大大降低了人力成本和操作中的危险程度。采用触摸屏作为人机交互界面，使得系统易被操作和观测。本循环水自动控制系统兼容性好，应用场合广泛，在节能降耗和降低排污方面有显著的经济效益。

［1］郭亚丽，朱玲.高浓缩倍数运行下的循环水控制［J］.全面腐蚀控制，2011，25（6）：14-17.

［2］杨洁，姜梅，张得君，等.中水回用于火电厂循环水存在问题探讨［J］.电力科技与环保，2011，27（2）：35-37.

［3］闫克明.热力循环水加酸工艺处理实例［J］.工业水处理，2009，28（12）：91-92.

［4］顾小红，徐志清，魏晓仪，等.浅谈我国火电厂水务管理——技术创新化，管理现代化［J］.电力环境保护，2007，23（1）：12-14.

［5］张晓燕，周杰.双路自动加酸及监控系统在循环水中的应用［J］.工业水处理，2011，31（4）：70-72.

Adding Acid to Circulating Cooling Water in Industrial Applications

YUAN Yunfeng
（Department of Electrical Engineering，Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Changzhi 046011，Shanxi，China）

Improving the cycles of concentration now is the common ways of saving water resources in modern industrial.The system guaranteed the stability of circulating cooling water system of the pH value between 7.0～8.5 by adding concentrated sulfuric acid.In the case of water stabilizer auxiliary，system pipeline corrosion fouling was ensured，and the concentration ratio of circulating water was improved.pH value of the negative feedback of fully automated control was implemented by system，system of real-time state using a touch screen for human-computer interaction，could greatly reduce the labor intensity of workers，increase the sound alarm system，eliminate the safety hidden trouble.

recirculation cooling water；automatic control；cycles of concentration

TQ0854.412

B

10.19457/j.1001-2095.20171015

原云峰（1983-），男，工学硕士，讲师，Email：yuanyf1234@163.com

2017-03-07

修改稿日期：2017-07-06