循環(huán)冷卻水加酸處理在工業(yè)應用實例

原云峰

（山西機電職業(yè)技術學院電氣工程系，山西 長治 046011）

循環(huán)冷卻水加酸處理在工業(yè)應用實例

原云峰

（山西機電職業(yè)技術學院電氣工程系，山西 長治 046011）

提高濃縮倍數(shù)成為現(xiàn)代企業(yè)節(jié)約水資源的常用手段，系統(tǒng)以加濃硫酸的方式，保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的pH值穩(wěn)定在7.0～8.5之間。在水穩(wěn)定劑輔助的情況下，保證系統(tǒng)管路不腐蝕不結垢，并大幅提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了以pH值為負反饋的完全自動化控制，系統(tǒng)的實時狀態(tài)可通過1塊觸摸屏進行人機交互，可大幅降低人員的勞動強度，增加了完善的報警系統(tǒng)，消除了安全隱患。

循環(huán)冷卻水；自動控制；濃縮倍數(shù)

1 項目背景

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)用水量日益增大，而冷卻用水占工業(yè)總用水量的70%左右［1］。目前國內水冷火電機組節(jié)水的主要思路是降低新鮮水取水量、減少循環(huán)水的排水量［2］。隨著水資源的緊缺，企業(yè)都摒棄了直流供水的方式，采取了循環(huán)冷卻水的方式去減少冷卻水的補充，并且希望提高濃縮倍數(shù)以繼續(xù)減少水資源的使用。在循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，循環(huán)水質和補充的新鮮水量是企業(yè)最為關心的參數(shù)，這2個參數(shù)由濃縮倍數(shù)決定，濃縮倍數(shù)的定義值為新鮮補充水與循環(huán)中水的鹽度的比值。在冷卻水循環(huán)的過程中，會出現(xiàn)水分蒸發(fā)，但其中的離子不會隨之蒸發(fā)而保存在循環(huán)管路中。隨著循環(huán)水濃縮倍數(shù)的提高，水質的結垢和腐蝕傾向也會越來越嚴重［3］。其中的CaCO3，MgCO3等難溶于水，鹽會因超飽和度后析出結垢，且結垢程度會隨超出的飽和度上升而增加。所以定期需要強制排除一部分高硬度水，補充新的水源。這就出現(xiàn)了一個矛盾，想節(jié)約水資源就會造成管道的結垢問題，管道的結垢會對系統(tǒng)造成很大的負擔，每1 mm的水垢會降低10%～20%的換熱效率。解決這種矛盾的一種行之有效的方式就是加酸去穩(wěn)定循環(huán)水的pH值，保證不結垢的情況下提高濃縮倍數(shù)。濃縮倍數(shù)和節(jié)水量是非線性的，隨著濃縮倍數(shù)的增大，節(jié)水量會趨于平緩，并且由于濃縮倍數(shù)過高，對水質穩(wěn)定劑和加酸計量更為敏感，絮狀沉淀物會增多，引起的腐蝕和結垢問題會帶來很大的負增益。所以，濃縮倍數(shù)需要高但不宜過高，應視具體情況而定。不少老的處理系統(tǒng)技術落后，自動化程度低、運行效率低［4］。在某企業(yè)中，對循環(huán)冷卻水的處理方式還是很原始的人工加酸，這種方式存在很大的問題。在控制方面，加酸調節(jié)pH值時間周期長，重力加酸方式使得加酸量線性程度差，加酸量不可控。且pH值在中性范圍為非線性狀態(tài)，所以控制效果抖動大，循環(huán)水極易出現(xiàn)過堿結垢或是過酸腐蝕。在人力成本上，加酸地點距離廠房較遠，費時費力，儲酸罐最大容量設計不足，需要頻繁加酸。工業(yè)硫酸屬化學危險品，容易造成人員傷害［5］。因此，企業(yè)急需一套安全可靠的循環(huán)冷卻水自動控制方案，來降低人力成本，提升濃縮倍數(shù)，節(jié)約水資源，穩(wěn)定循環(huán)水質量，防止設備結垢和腐蝕的自動控制方案，并且完成在廠房中可以遠程監(jiān)視和控制整個循環(huán)冷卻水的實時狀態(tài)，降低人員的勞動強度。

2 項目實施

2.1 管路改造

原管路為雙路冷卻塔，在原系統(tǒng)的基礎上每路冷卻管道在加酸位置后50 m處增加1個U型管道，用于pH測試儀采樣取值。為避免人員接觸硫酸的可能性，增加1臺卸酸泵，增加2臺容積為12.5 m3的儲酸罐，當硫酸廠運來硫酸時，通過卸酸泵自動將硫酸打到儲酸罐中。選用泵的參數(shù)為：額定功率3 kW，最大流量25 m3/h，最大出口壓力2 MPa。在儲酸罐中增加1個翻球式磁浮液位計，用以指示當前硫酸儲備值，并將此數(shù)值轉化為4～20 mA的電氣信號送給PLC。因為系統(tǒng)采用的是98%的濃硫酸，腐蝕性極強，故卸酸泵的通流部分需采用氟塑料，儲酸罐材質需為碳鋼。

2.2 整體方案

整體回路控制方案如圖1所示。系統(tǒng)將檢測和實施器件放置在遠離廠區(qū)的管路附近，將負責運算的PLC和人機交互控制的觸摸顯示屏放在廠區(qū)中，實現(xiàn)了人員在辦公室就可以完成對系統(tǒng)的實時監(jiān)視和控制。在系統(tǒng)整體流程上，PLC通過接收2路pH檢測儀的電氣信號，經(jīng)過內部PID運算后，將結果轉換成電氣信號，通過控制沖程調節(jié)器和變頻器，完成對加入硫酸量的控制，PLC與1臺觸摸屏連接，實現(xiàn)上位機功能，完成對系統(tǒng)的實時檢測和控制，整體方案實現(xiàn)以循環(huán)冷卻水

pH值作為負反饋的自動控制系統(tǒng)。

圖1 控制方案Fig.1 Control plan

2.3 系統(tǒng)功能和具體實現(xiàn)

傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)會采用PLC和組態(tài)軟件的結合，通過1臺臺式電腦完成人機交互，這種方案不僅前期研發(fā)時間長，且會增加控制系統(tǒng)成本，且臺式電腦和工控軟件的引入也會增加操作人員能力的門檻。本系統(tǒng)采用的是PLC加觸摸顯示屏的最小系統(tǒng)，觸摸屏有著非常好的人機交互效果，降低成本的同時還增強了穩(wěn)定性，便于安裝和維護，故采用觸摸屏取代了臺式電腦。

循環(huán)水的檢測通過智能pH測試儀實現(xiàn)，選用精度可達到0.01 pH的儀器，在測試儀液晶屏實時顯示循環(huán)水pH值的同時，將pH值自動轉成4～20 mA的電氣信號送給PLC。PLC選用臺達的DVP-ES2，與其他控制器相比較，這款PLC可擴展模塊豐富，I/O口充足，自帶RS485邏輯，內部集成PID運算指令，且與所選的上位機兼容性好，價格更低廉。需要PLC完成輸入/輸出標準的電氣信號功能，故增加A/D和D/A模塊，由于擔心PLC本體的24 V帶載能力差，所以附加模塊用獨立的DC 24 V直流源供電。

系統(tǒng)在自動模式下，PLC運算后的結果會輸出給變頻器，通過改變變頻器的頻率來控制每次加硫酸的量，此外和加酸計量泵配套的沖程調節(jié)器也會影響添加硫酸量，在變頻器數(shù)值穩(wěn)定的情況下，沖程調節(jié)器設置的數(shù)值和添加硫酸的量成正比。PID參數(shù)由設備提供方調試完成后，默認不得修改，但是隨設備性能下降或水質隨季節(jié)變化等因素，修改PID參數(shù)危害較大，極易出現(xiàn)控制效果震蕩，造成管路腐蝕或者結垢，故增加一處可以線性添加的硫酸量。沖程余量設計不宜過大，過大的余量設計會造成閥門在常態(tài)下開度小，出現(xiàn)壓損大的問題。本方案中，沖程位置h（%）按照最大加酸量和計量泵最大流量比值的2倍來設定。由于加入的硫酸濃度過高，在隔膜計量泵后端增加緩沖器，使?jié)饬蛩崤c水充分混合，防止硫酸加入的附近管路會因濃度過高造成腐蝕情況。在實際生產(chǎn)過程中，會出現(xiàn)各種突發(fā)情況，故系統(tǒng)在設計時，添加了手動控制和加酸設備的余量設計。在系統(tǒng)需要人為干預時，可以通過上位機選擇變頻器的手動控制功能，變頻器選用的是FVR-ES9，將手動控制的I/O與控制面板上的旋位電阻器相連，通過旋轉電位器完成對變頻器的手動控制，間接控制加入硫酸量。2路冷卻水管路中，都配備1套常用、1套備用的加酸設備，以保障生產(chǎn)的平穩(wěn)。

2.4 人機交互

整個裝置通過觸摸屏完成人機交互，MT506Se-View觸摸屏與臺達PLC通過RS485總線鏈接，觸摸屏的軟件由電腦端編程后下載。此款觸摸屏的配套編程系統(tǒng)優(yōu)化度較高，全程可視化編程，配有脫離PLC的離線調試模式，大大縮短了研發(fā)時間。軟件分為4個模塊：變頻器控制、計量泵控制、狀態(tài)顯示和PID參數(shù)調節(jié)。通過觸摸屏可以控制PID參數(shù)的設定，選擇變頻器的手、自動模式和工、變頻模式，選擇計量泵的開關狀態(tài)和沖程位置。為了應對一些特殊情況，在觸摸屏上選擇手動模式后，添加硫酸量就不再由PLC控制輸出，由操作員手動控制。此外通過觸摸屏還可以觀測系統(tǒng)中各部件的狀態(tài)，例如循環(huán)冷卻水實時的pH值、各個變頻器和計量泵的狀態(tài)、儲酸罐的液位以及報警狀態(tài)的復位，在pH值小于6和大于9的狀態(tài)下，或是儲酸罐液位低于安全值的時候，系統(tǒng)會觸發(fā)報警狀態(tài)，報警狀態(tài)可以通過觸摸屏關閉。

2.5 算法

本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PID參數(shù)調節(jié)算法。PLC內部集成PID算法，只需要通過API88這條指令就可以方便地完成PID參數(shù)的設定。由于pH值在中性點線性度極差，用PID算法控制pH值極易出現(xiàn)震蕩的情況，故設立死區(qū)，在pH值處于7.0～8.5之間，系統(tǒng)不進行控制動作，只有pH值大于8.5之后，系統(tǒng)才開始進行響應。系統(tǒng)的采樣周期為2 s，每記錄1個數(shù)值，都會和之前之后的2個數(shù)值去做比較，如果相差值過大，則會去除這個數(shù)值，以避免錯誤數(shù)據(jù)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)每1 min將所儲存的有效數(shù)據(jù)取平均值，以此完成1次加硫酸控制行為。軟件流程整體展開如圖2所示。

圖2 軟件流程Fig.2 Software process

3 結論

系統(tǒng)在運行中，應加入對應的水穩(wěn)定劑，pH值穩(wěn)定在7.0～8.5之間時，在緩蝕劑保證系統(tǒng)不會被腐蝕的情況下提升濃縮倍數(shù)。某地火力發(fā)電廠的實際運行中，常年將濃縮倍數(shù)穩(wěn)定在4.35之上，減少補充水量約3成，且可以有效防止管路結垢、提高系統(tǒng)管理的負荷能力。新系統(tǒng)在現(xiàn)場運轉平穩(wěn)，控制穩(wěn)定。自動化程度的提高，大大降低了人力成本和操作中的危險程度。采用觸摸屏作為人機交互界面，使得系統(tǒng)易被操作和觀測。本循環(huán)水自動控制系統(tǒng)兼容性好，應用場合廣泛，在節(jié)能降耗和降低排污方面有顯著的經(jīng)濟效益。

［1］郭亞麗，朱玲.高濃縮倍數(shù)運行下的循環(huán)水控制［J］.全面腐蝕控制，2011，25（6）：14-17.

［2］楊潔，姜梅，張得君，等.中水回用于火電廠循環(huán)水存在問題探討［J］.電力科技與環(huán)保，2011，27（2）：35-37.

［3］閆克明.熱力循環(huán)水加酸工藝處理實例［J］.工業(yè)水處理，2009，28（12）：91-92.

［4］顧小紅，徐志清，魏曉儀，等.淺談我國火電廠水務管理——技術創(chuàng)新化，管理現(xiàn)代化［J］.電力環(huán)境保護，2007，23（1）：12-14.

［5］張曉燕，周杰.雙路自動加酸及監(jiān)控系統(tǒng)在循環(huán)水中的應用［J］.工業(yè)水處理，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，工學碩士，講師，Email：yuanyf1234@163.com

2017-03-07

修改稿日期：2017-07-06