基于在线监测设备的全水管理系统的设计与实现

何天庆 ，刘佳伟 ，王军生 ，葛超 ，张正

（1.鞍钢集团朝阳钢铁有限公司，辽宁 朝阳 122000；2.鞍钢集团自动化有限公司，辽宁 鞍山 114001；3.大连嘉合环保科技有限公司或纳尔科（中国）环保技术服务有限公司，辽宁 大连 116001）

钢铁行业是我国基础产业和支柱产业，在经济高速发展过程中占有重要地位。钢铁生产用水较多，占工业总用水量的28.5%，其主要包括生产设施用水、辅助生产设施用水、附属生产设施用水以及道路洒水、绿化用水等。同时，随着余热余能利用、污染治理、固废利用等各种新兴节能环保和资源化利用的生产辅助设施的不断改进，钢铁生产用水环节及工艺过程更趋复杂［1-3］。钢铁企业85%以上用水为各工序工艺设备冷却用水。水系统的良好运行对减少检修频率、延长设备寿命、降低钢铁生产的综合成本、避免意外事故发生等方面具有重要意义［4-5］。在国外，从经验模式到数字化模式转变经历了从生产到研究、从研究到应用的一个较长的探索和发展历程。英国水处理公司在早期数字化建设中就重视生产数据的分析和应用，国内公司应用较多的几个水处理模型软件如Infoworks、DHI、KYPIPE、Bently 等均来自英国、丹麦或者美国。数字化在国外的发展不仅为流程化生产企业节约了成本费用，也为企业做出了一个长期战略决策［6］。

基于多年以来在一线水处理行业的摸索，为解决企业在实际运行中设备操作靠经验缺乏技术支撑、运行维护靠经验缺乏预判，以及水质变化缺乏应对智能决策等诸多问题，全水管理系统应运而生。全水管理系统可结合传感器数据，预测设备的潜在故障，诊断运行是否合理，运用算法实现自动预测结果，进而实现信息的互联互通、问题的提前预判、数据的自我演进和操控的先进管理。因此，全水管理系统对钢铁行业快速稳定的发展以及水资源的合理利用存在重要意义。

1 在线监测设备和全水管理系统

在线监测设备能够监控水质，监督水量，控制水的运行和化学品用量。全水管理系统可实现水平衡监测、水运行控制、水性能诊断、水质量评价、安全运行预警、药剂管理等功能。全水管理系统离不开在线监测设备，二者不但能实现现场及远程控制的合一，而且根据不同用水单元量身定制水系统运行参数，实现在线监控，有效地提高生产效率和操作水平。达到现场无人化操作，节水节能降耗，提高设备利用率，保障生产顺行。

1.1 在线监测设备

表1为在线监测设备基本参数，图1为全水在线监测设备系统结构图。

图1 全水在线监测设备系统结构图Fig.1 System Construction Drawing for Online Whole Water Monitoring Equipment

表1 在线监测设备基本参数Table 1 Basic Parameters for Online Monitoring Equipment

在线监测设备主要由控制器、检测仪器、各类探头、加药泵组、药剂储罐、无线双向的信息传输系统、信息数据管理网络等硬件组成。在线监测设备主要功能为：① 数据监测（水质参数：pH值、电导率、ORP、腐蚀率、药剂浓度、温度等）；② 水系统运行数据（浓缩倍数、蒸发量和损失量）；③ 加药泵状态预警；④ 药剂浓度及液位报警；⑤ 冷却塔热负荷及换热效率诊断信息。表2为控制器控制方式及设备主要参数。

表2 控制器控制方式及设备主要参数Table 2 Control Mode for Controller and Main Parameters for Equipment

设备通过检测取样水得出各类关键参数，控制器通过系统数据分析处理，按照处理结果通过控制继电器输入和输出各类信号，达到控制加药泵、排污阀、pH加酸调节、微生物标记、报警等功能。系统将检测到的各类数据以及输入输出的各类信息每15 s检测一次，每15 min记录一次，同时将数据上传至Internet，见表3控制器信息输入输出情况。

在冷却水系统满负荷运行情况下，条件的扰动会导致系统结垢、腐蚀、沉积等问题的出现，造成系统运行风险和经济损失。全水在线监测设备检测扰动并采取适当的纠正措施，适用于以下条件：① 仪器可靠性极为重要时；② 扰动及工艺泄漏会造成系统退化时；③ 硬度经常变化时；④ 磷酸盐浓度不定时；⑤ 系统负荷量变化时；⑥ 使用循环废水时；⑦pH值很难控制时；⑧生物杀菌剂补给不连续时；⑨生物群变化或系统容易受微生物污染时等。图2为换热器结垢和换热器保持清洁效果图。

图2 换热器结垢和换热器保持清洁效果图Fig.2 Architectural Rendering for Formation of Scales in Heat Exchanger and Keeping Heat Exchanger Clean

可以看出，换热器表面结垢后，导致金属应力变化，在高应力条件下，会导致系统功能退化。酸性的给水系统如出现故障会导致pH值增加，系统中能够控制结垢的药剂被消耗。在pH值失控后，系统就会开始积垢，一旦系统结垢，只有使用昂贵的酸清洁剂才可以使之恢复原来的效能。在线监测设备能够检测到pH值的增加和药剂的消耗，同时可采取措施来降低系统的应力，防止积垢。在此之后，将向系统操作员发送一封电子邮件或数字文件，报告异常情况以及纠正措施。所有预警均可在积垢影响到系统性能之前完成。相反，系统应力较低时，在线监测设备可调节电导率及化学品用量，以获得最佳的效率。在水系统极限条件下运行时，在线监测设备对系统泄漏微生物的突然进入、补水浊度的变化或热交换器的酸泄漏等问题实现了自动控制，无需对系统性能改进付出昂贵代价。而其他所有的控制系统都依赖于“预期”条件或“标准”条件，在操作人员不参与的情况下无法对变化因素作出响应，传统加药方式与全水在线监测设备对比见表4。

表4 传统加药方式与全水在线监测设备对比Table 4 Comparison of Traditional Dosing Method and Online Whole Water Monitoring Equipment

在线监测设备运用化学品和控制逻辑形成闭环运行管理模式，对腐蚀控制采取补充水中补偿正磷酸盐浓度，防止磷酸盐沉积造成的高成本腐蚀，持续在线监测腐蚀率，检测扰动的发生机率。对结垢控制是根据系统承受的应力主动管理系统，将设备的效率保持在最高值，通过防止矿物结垢和微粒积垢，减少设备的停机时间以及维护成本。对生物控制是通过监测补充水生物群补给时的差异，控制现有的固着生物群，防止沉积下腐蚀。

1.2 全水管理系统

全水管理系统分别从水平衡、水运行、水性能、水质量和药剂管理五个维度来体现具体水处理系统功能，工艺数字孪生、关键数据的采集和诊断分析部分都离不开在线监测设备。水平衡是对蒸发量、风吹损失量、管道泄漏量和排污量具体数据进行采集和模拟量分析，了解各单元进出水平衡状况，水计量状况、用途和去向。水平衡路径的明晰是提高水资源高效利用率，制定多元取水、串联一水多用、分质梯级用水管理制度的基础工作。水运行是运用浓缩倍数管理来调整补水排污量，通过系统状态远程控制、加药设备状态、风机水泵状态、供水及回水温度、流量、压力监控来统一实现。水质量为水质数据，分别为：钙硬度、总硬度、碱度、总铁、氯离子、pH值、电导率、ORP、浊度等。水性能是监测水系统中挂片的腐蚀率、结垢速率、细菌总数等参数，对系统风险进行分析和预警，确保水系统良好运行。药剂管理是监测计量泵持续投加量、药剂桶液位、药剂消耗速度以及药剂库存等信息。

2 经济效益分析

表5为补水水质和2、4、6倍浓缩时系统水质参数分析。

表5 补水水质和2、4、6倍浓缩时系统水质参数Table 5 Quality of Replenishing Water and Parameters for Quality of Water in System by 2,4 or 6 Times of Concentration

水系统提高浓缩倍数的可能性较大，但高浓缩倍数的情况下，系统水质运行风险随着增大。因此，在循环水系统高浓缩倍数运行的情况下，全水管理系统的实施监控和预警显得尤为重要。全水管理系统综合模拟环境是根据水在循环过程中，除因蒸发损失和维持一定的浓缩倍数而排污水外，还由于空气流动将水分子气化由塔顶逸出时，带走部分水气，以及管道渗漏而失去部分水，因此补充水水量等于蒸发量、风吹损失量、排污量以及渗漏量之和。蒸发损失是通过蒸发系数、系统循环水量与冷却塔进出水的温度差之乘积得来。蒸发损失系数与季节有关系：夏季（25～30℃）时，蒸发系数为0.15～0.16；冬季（-15～10℃）时,蒸发系数为0.06～0.08；春秋季（0～10℃）时,蒸发系数为0.10～0.12。对于机械通风凉水塔，在有收水器的情况下，风吹损失率约为0.2%～0.5%，通常情况下取0.2%为系数，风吹损失是循环量与系数的乘积。排污量一般根据排污实际仪表计量进行统计，也可以通过系统浓缩倍数进行计算；系统渗漏和溢流量需要加强现场的实际运行管理手段，如：增加在线仪表、现场不合理用水评估、水质监控等。通过运行数据、水质化学成分、药剂中的有效化学成分进行拟合，推荐指导加药量，分析结果为2×10-5分散剂、2×10-5冷却水处理剂、3×10-6阻垢剂，可以确保系统浓缩倍数达到6倍，综合其他影响因素，可以继续提升系统浓缩倍数。表6为水系统诊断分析。

从表5、表6中可以看出，计算该系统在2、4、6倍浓缩时的补水量分别为140、93.33、84 m3/h。以2倍浓缩为基础，4倍浓缩时补水量会节约46.67 m3/h，6倍浓缩时补水量会节约56 m3/h，按全年系统连续运行330天计算，每年可节约补水量369 600～443 520 m3，按当地工业水标准价格2.1元/m3，全年节水776 160～931 392元。同时，根据《GB/T 50050-2017工业循环冷却水处理设计规范》对循环水高浓缩倍数下的水质要求，循环水在6倍浓缩倍数下的钙硬度在6.72×10-4左右，碱度在1.8×10-4左右，因此钙硬度与碱度的和并没有超过国标中规定范围，不存在结垢的趋势和风险。

表6 水系统诊断分析Table 6 Diagnostic Analysis for Water System

3 结语

基于在线监测设备的全水管理系统能够实现职能部门管理升级，对水系统进行透明化监管和控制，可以提高水的利用率，创造可观的经济价值。通过在线监测设备采集水平衡、水运行、水质量、水性能和药剂管理所需要的实时数据，从五个维度嵌入算法，结合化学品药剂调整控制系统，形成了全水管理系统的闭环模式。通过全水管理系统的应用，实现了在线水质监测，精准计量化学品用量，提高管理效率，监控腐蚀、结垢和生物污染的发生，确保系统在高浓缩倍数下处于安全和平衡的最佳状态，年节水效益为77～93万元。