循環(huán)冷卻水系統(tǒng)自動加藥設計應用

郭根弟

（中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程有限公司上海分公司，上海 200335）

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循環(huán)冷卻水系統(tǒng)自動加藥設計應用

郭根弟

（中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程有限公司上海分公司，上海 200335）

摘 要自動加藥技術通過PLC控制計算電導率的在線檢測值和補充水量測量信號控制藥劑投加量，保證了循環(huán)水藥劑投加的精確性、穩(wěn)定性；同時引入智能控制技術，根據(jù)總磷在線檢測預測自動調(diào)整系統(tǒng)控制程序，確保了系統(tǒng)調(diào)整滯后的問題產(chǎn)生；該技術還具有運行精確、穩(wěn)定、可靠和操作簡單方便等優(yōu)點。

關鍵詞循環(huán)冷卻水系統(tǒng)自動加藥技術；智能控制；自動調(diào)整系統(tǒng)；在線檢測

加藥技術是現(xiàn)代循環(huán)水處理工藝的核心部分，在工業(yè)循環(huán)冷卻水裝置中，通常采取投加化學藥劑的方法，阻止換熱系統(tǒng)結(jié)垢、減緩腐蝕和防止生物黏泥的生成，從而保證循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)定，提高換熱系統(tǒng)可靠度，實現(xiàn)長周期安全運行。

新型水處理藥劑及配方的研究開發(fā)推動了加藥處理技術的不斷發(fā)展，同時也將更多資源投入加藥控制系統(tǒng)的研究領域，大力推進循環(huán)水質(zhì)處理藥劑應用的高效能、可靠性和經(jīng)濟性，自動加藥技術及系統(tǒng)是高效能與高可靠性綜合利用的典范。

自動加藥技術通過PLC控制計算電導率的在線檢測值和補充水量測量信號控制藥劑投加量，保證了循環(huán)水藥劑投加的精確性、穩(wěn)定性；同時引入智能控制技術，根據(jù)總磷在線檢測預測自動調(diào)整系統(tǒng)控制程序，確保了系統(tǒng)調(diào)整滯后的問題產(chǎn)生；該技術還具有運行精確、穩(wěn)定、可靠和操作簡單方便等優(yōu)點。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行中，主要產(chǎn)生水垢、污垢、腐蝕、微生物孳生等水質(zhì)危害，如果不進行處理，很難保證系統(tǒng)正常運行。要想獲得良好的水處理效果，除選用優(yōu)良的配方外，關鍵是要將投加的水穩(wěn)藥劑濃度嚴格控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。藥劑濃度過低對系統(tǒng)產(chǎn)生不良后果，藥劑濃度過高對資源造成浪費。

循環(huán)水系統(tǒng)一般采用人工定時均勻加藥，通過定量分析取得水中藥劑的濃度，以此來調(diào)節(jié)加藥泵的開度。由于系統(tǒng)容積較大，分析滯后和分析頻率的制約，將水質(zhì)穩(wěn)劑的濃度控制在設定的范圍有很大難度。

對于同一系統(tǒng)采用常規(guī)加藥測控和自動加藥測控方法采集的歷史數(shù)據(jù)，可以直觀地對比出其使用效果，詳見圖1，可以看出自動加藥系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、節(jié)水效果非常突出。

圖1 常規(guī)測控與自動加藥測控效果比較Fig. 1 Effect chart of routine and automatic chemical dosing system

1 自動加藥系統(tǒng)技術原理

1.1 控制原理

自動加藥技術選用PLC計算加藥控制器來實現(xiàn)加藥綜合控制功能。通過設置現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及數(shù)字通訊裝置，實現(xiàn)了檢測儀器自動維護操作；同時設置監(jiān)控主機對加藥間進行集中監(jiān)視和操作管理，并提高數(shù)據(jù)保護等級，避免數(shù)據(jù)失真。

自動加藥系統(tǒng)工作原理見圖2、圖3、圖4所示。

設置現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集pH測量數(shù)據(jù)，在線自動酸堿中和，智能復合控制系統(tǒng)PLC計算進水流量和在線檢測的 pH 值來控制酸堿投加量及自動控制計量泵進行加藥。當藥劑罐液位低于最低液位時，停止加藥，同時報警閃爍，提示添加濃硫酸。

圖2 在線自動投加酸系統(tǒng)原理Fig. 2 Online automatic acid system schematic diagram

圖4 在線自動投加緩釋阻垢劑系統(tǒng)原理Fig. 4 Online automatic inhibitor system schematic diagram

自動加藥技術在系統(tǒng)運行中能夠準確定量地控制緩蝕、阻垢劑、分散劑、殺菌滅藻劑和酸堿投加量，同時在線檢測電導率、pH 值、溫度等參數(shù)，并可在遠離現(xiàn)場的操控中心進行遠程操作。該系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)讀取和儲存功能，從而可獲得和儲存循環(huán)水系統(tǒng)各控制參數(shù)。為了提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制系統(tǒng)內(nèi)部設置了不同控制參數(shù)的報警反饋，如壓力、流量、溫度控制報警和電導率監(jiān)控報警等。

加藥裝置由PLC控制，有數(shù)據(jù)自動采集、處理、輸出功能。預留通訊端口與循環(huán)水站PLC系統(tǒng)實現(xiàn)通訊，實現(xiàn)計算機遠程監(jiān)控和就地控制。

通過pH計、電導、濁度等自動監(jiān)控儀表，將相關信號采集，進入PLC進行系統(tǒng)水質(zhì)的全過程監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)大小，PLC依照模糊控制理論，輸出一路4～20 mA控制信號直接控制計量泵的開度。當加藥控制范圍設定后，控制系統(tǒng)將根據(jù)藥劑濃度的變化和水量的變化周期，自動整定出輸出信號給加藥計量泵，促使計量泵的開度和藥劑濃度達成動態(tài)平衡，有效地將循環(huán)水中的藥劑濃度嚴格控制在設定的精確范圍內(nèi)，完成全自動加藥操控。

1.2 連鎖關系

（1）pH值在線監(jiān)測提供4～20 mA電流信號與加酸泵連鎖控制。

（2）電導率在線監(jiān)測提供4～20 mA電流信號與加藥泵連鎖控制緩蝕、阻垢劑的投加。

（3）余氯在線監(jiān)測提供4～20 mA電流信號與加藥泵連鎖，在線控制殺菌劑的投加。

1.3 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)整合在現(xiàn)場控制柜中，主要監(jiān)控參數(shù)如下：

現(xiàn)場控制柜用于顯示阻垢緩蝕藥劑濃度、ORP值、電導率值、pH值、濁度、總磷值、濃縮倍數(shù)、污垢熱阻值、腐蝕速率、監(jiān)測掛片器流量值、計量泵的運行狀況、藥劑罐、硫酸罐的液位等相關參數(shù)，具有人機互動界面實現(xiàn)系統(tǒng)操作參數(shù)的修改和設定。

1.4 藥劑組成

（1）氧化性殺菌劑

投加氧化性殺菌劑，主要是在線監(jiān)測控制微生物黏泥對系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴重污垢和腐蝕危害，生產(chǎn)運行中一般采用間歇式投加。

（2）非氧化性殺菌劑

投加非氧化性殺菌劑，主要是在線監(jiān)測控制微生物黏泥對氧化性殺菌劑的抗藥性，剝離黏附在換熱器管壁上的生物黏泥，生產(chǎn)運行中一般采用間歇沖擊投加。

（3）硫酸

根據(jù)在線監(jiān)測補充水水質(zhì)情況確定系統(tǒng)是否需要投加硫酸，其目的是調(diào)節(jié)循環(huán)水的pH值，降低補充水的鈣硬度和總堿度，將HCO3-中和生成CO2和H2O，避免生成CaCO3等沉淀。

加酸系統(tǒng)安裝pH計，在線監(jiān)測水質(zhì)pH值，在控制器上設定pH值的控制范圍，通過微機運算，自動控制加酸泵的開度，調(diào)整加酸量。

1.5 自動排污

當循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)不滿足設計要求時，通過電導儀在線監(jiān)測補充水、循環(huán)水電導率，計算出濃縮倍數(shù)。針對濃縮倍數(shù)范圍在系統(tǒng)中設定排污指標，電導率采集信號經(jīng)由系統(tǒng)處理判斷后，PLC傳輸給電動調(diào)節(jié)排污閥執(zhí)行開閉動作，實現(xiàn)水質(zhì)連鎖自動排污。

2 自動加藥系統(tǒng)特點

2.1 控制精度高，藥劑利用率高，系統(tǒng)長周期運行性價比高

通過智能復合控制系統(tǒng)復合計算原理，不管系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，直接監(jiān)測水處理劑有效組份，測量誤差小于正負0.1 mg/L，控制誤差小于正負0.2 mg/L。

2.2 高效率自適應排污系統(tǒng)

自動排污系統(tǒng)對于有多條補充水管線或者排污不易控制的系統(tǒng)優(yōu)越性更明顯。

2.3 新型藥劑普適性

該系統(tǒng)特別適合發(fā)展中的無磷配方藥劑，如配方變化可以通過系統(tǒng)重新配置操作。

3 自動加藥系統(tǒng)功能

（1）根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)要求[2-3]，在pH控制器上設定pH值范圍，通過自動測量系統(tǒng)的pH值，訊號經(jīng)放大后，控制器自動控制酸泵的啟動和開度，循環(huán)水的pH值將嚴格控制在設定的范圍內(nèi)。

（2）通過對循環(huán)水的電導表進行設定排污的電導范圍，信號傳輸給繼電器，控制電動控制閥的開度。實現(xiàn)自動排污及控制濃縮倍數(shù)。

（3）對總磷、pH、電導、濁度等參數(shù)提供顯示、報警、變化曲線、報表打印、歷史數(shù)據(jù)的存儲和查詢，可實現(xiàn)人機對話。

（4）加藥泵的手動及自動切換。

（5）對緩蝕劑阻垢劑的全自動連續(xù)加藥。

（6）對氧化性殺菌劑實行自動加藥。

（7）對非氧化性殺菌劑實行定時自動加藥。

4 主要技術參數(shù)

環(huán)境溫度 10～35 ℃

相對濕度 ≤85 %

供電電壓 220 V±10 %（380 V±1 0%）

電源頻率 50 Hz

測量范圍 0～30 mg/L（0～300 mg/L）

測量精度 ±0.1 mg/L

控制精度 ±0.2 mg/L

電流輸出 4～20 mA

輸入循環(huán)水壓力 ≤0.15 MPa

取樣水流量 100 mL/min

5 自動加藥系統(tǒng)應用實例

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)加藥原理[1-3]設計及自動加藥系統(tǒng)運行實際情況，現(xiàn)引用某公司循環(huán)水系統(tǒng)2015年7月的運行數(shù)據(jù)來說明其真實運行效果。

5.1 項目信息

應用系統(tǒng)：第一循環(huán)冷卻水水場；

循環(huán)冷卻水水量：55 187，m3/h；

平均溫差：10.6，℃；

循環(huán)水補充水量：609，m3/h；

回用水補充水量：160，m3/h；

循環(huán)水旁濾水量：1 754，m3/ h；

循環(huán)水排污水量：81，m3/h；

循環(huán)水濁度：3.5，NTU；

循環(huán)水濃縮倍數(shù)：5.6；

pH控制：8.53；

總磷控制：0.86，mg/L；

運行時間：30，天；

系統(tǒng)設計水量：54 000，（m3/h）·12座；

冷卻塔：4 500，（m3/h）?座；

進塔水溫：43，℃ ；

出塔水溫：33，℃；

平均溫差：10，℃；

干球溫度：32，℃；

濕球溫度：28.6，℃；

循環(huán)水濁度：10.0，NTU；

循環(huán)水濃縮倍數(shù)：4.0。

5.2 流程概況（見圖5）

圖5 加藥系統(tǒng)帶控制點管道及儀表流程Fig. 5 PID of dosing system

5.3 循環(huán)水裝置運行數(shù)據(jù)

表1～4、圖6～13中數(shù)據(jù)引用循環(huán)水場運行月報，全部性能參數(shù)經(jīng)過用戶確認，數(shù)據(jù)全部智能控制和在線檢測獲得。

表1 系統(tǒng)運行參數(shù)Tab. 1 System operation parameter

表2 藥劑耗量Tab. 2 Chemical consumption

表3 水質(zhì)Tab. 3 Water quality list

圖6 pH值Fig. 6 pH list

圖7 濁度值Fig.7 Turbidity list

圖8 氯離子值Fig. 8 Chloride list

圖9 鋅鹽Fig. 9 Zn list

圖10 聚合物Fig. 10 Polymer list

圖11 總鐵Fig.11 Total Fe list

圖12 總磷Fig. 12 Total P list

圖13 濃縮倍數(shù)Fig. 13 Concentration multiple list

表4 腐蝕監(jiān)測值Tab. 4 Corrosion monitoring value

（1）碳鋼掛片表面輕微腐蝕，腐蝕率很低，見圖14。

圖14 碳鋼掛片表面Fig. 14 Surface of the CS pendant

（2）不銹鋼及銅掛片腐蝕率較低，遠低于控制上限，見圖15。

圖15 不銹鋼及銅掛片表面Fig. 15 Surface of SS and Cu pendants

圖16為水處理加藥系統(tǒng)運行某時PLC控制顯示圖面。

目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，循環(huán)水量較上月相比有所上升，排污量和補水量與上月相比亦有所上升。由于余氯分析儀表問題，導致余氯分析儀和人工分析的結(jié)果有偏差，余氯分析儀后經(jīng)幾次修復，至月底恢復正常。

圖16 PLC加藥系統(tǒng)控制界面Fig. 16 PLC dosing system surface chart

6 結(jié)論

自動加藥技術PLC控制系統(tǒng)在循環(huán)水裝置運行中，體現(xiàn)出了測量的穩(wěn)定性、控制的精確性，同時節(jié)水、節(jié)能、減排效果明顯，具有極大的社會效益，增強了企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。

參考文獻

[1]GB/T 50102—2003. 工業(yè)循環(huán)水冷卻設計規(guī)范[S].

[2]GB 50050—2007. 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范[S].

[3]GB/T 50746—2012. 石油化工循環(huán)水場設計規(guī)范[S].

中圖分類號：TQ 085+.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）02-0025-000

收稿日期：2015-08-18

作者簡介：郭根弟（1954—），男，工程師，從事給排水及消防工程設計、施工管理等工作。

Design and Application of Automatic Dosing Process in Cyclic Cooling Water System

Guo Gengdi
（China National Pharmaceutical Group, Sino pharmengin Co., Shanghai Co., Ltd, Shanghai 200235）

Abstract:In application of automatic dosing technique, dosing is controlled with the measured signal of water supplementary and online detected conductivity by PLC, in this way, the precision and stability of dosing to cyclic water can be ensured. Moreover, intelligent control technology is introduced, and based on online detective data the system control process is automatically adjusted so as to avoid the system operation delay. This technique has the advantages of precision, stability, reliability and convenience for operation.

Keywords:automatic dosing system; intelligent control; automatic operation adjustment; online detective data