循環(huán)水應用技術管理與優(yōu)化控制分析

石 磊，劉大勇

(1.吉林石化公司 有機合成廠，吉林 吉林 132000；2.吉林吉大化肥有限公司，吉林 吉林 132000)

我國工業(yè)冷卻水約占工業(yè)總用水量的50%～80%[1],如何利用好工業(yè)冷卻水形成正常的循環(huán)系統(tǒng)，成為循環(huán)水管理的突破點.循環(huán)水管理的關鍵之一是如何做好循環(huán)冷卻塔的優(yōu)化運行，提升濃縮倍數(shù)，達到節(jié)水目的.濃縮倍數(shù)是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行一項重要參數(shù)，它是循環(huán)冷卻水與補充水含鹽量的比值[2].是宏觀表示循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中鹽量平衡時重要水質指標.循環(huán)水場運行優(yōu)化主要體現(xiàn)在濃縮倍數(shù)控制和優(yōu)化上.二是做好循環(huán)水水質的控制，確保各項離子達標控制，降低腐蝕離子濃度，防止換熱設備與管路結垢和腐蝕[1].為此循環(huán)水應用技術管理和優(yōu)化控制顯得成為重要.

1 本廠循環(huán)水現(xiàn)狀情況

本廠循環(huán)水場共帶10套裝置、204臺循環(huán)水換熱器，分1#、2#水場.2#水場于2003年建成，帶3套新裝置，裝置無泄漏，水場較小，水質情況較好，達到優(yōu)化運行條件.1#水場帶7套大裝置，換熱器常發(fā)生泄漏給水質帶來較大的沖擊，水質存在不穩(wěn)定性，堿度、pH值較低，系統(tǒng)需加堿處理.同時換熱器泄漏菌類滋生嚴重，造成水場粘泥物增多，濁度增高，需定期投加氧化性殺菌劑、沖擊性投加非氧化性殺菌劑、剝離劑進行殺菌處理.由于1#水場于1978年1月動工，1981年5月投產，運行周期已達40年(冷卻塔結構設計使用年限應為50年[3]).水場初步設計時保有水量較大，保有水量與循環(huán)水量接近1︰1，水場濃縮倍數(shù)偏低，水場運行經(jīng)濟性與2#水場相比存在差距.針對1#水場上述瓶頸問題，提出循環(huán)水水質技術優(yōu)化措施，通過異常分析及處理對策，從循環(huán)水水質管理上進行控制，遏制循環(huán)水菌類滋生，改善水質品質.

1.循環(huán)水場控制：1#水場工藝控制穩(wěn)定，累計運轉12臺水泵，供水溫度、供水壓力達到生產裝置工藝要求，給、回水溫差在4～5 ℃，供水壓力達到0.50 MPa，能夠滿足生產工藝要求，但節(jié)電上缺少經(jīng)濟性.

2.腐蝕數(shù)率對比：循環(huán)水場腐蝕數(shù)率均低于國家控制標準≤0.075 mm/a[4]，合金鋼≤0.050 mm/a[4]通過模擬換熱器腐蝕數(shù)率數(shù)據(jù)可以看出，水質各項指標達到控制要求，1#水場腐蝕數(shù)率控制值高于2#水場腐蝕數(shù)率,腐蝕傾向大于2#水場.1#水場水質腐蝕上還有待于進一步提高.

表1 月份腐蝕數(shù)率數(shù)值與控制值比較關系

腐蝕效率圖1 月份腐蝕數(shù)率數(shù)值與控制值對比關系曲線

從圖1可以看出1#水場腐蝕數(shù)率達到控制要求，高于2#水場，腐蝕傾向高于2#水場.

3.循環(huán)水質漏按：一是1#水場存在漏氨，造成堿度偏低，需長期加堿進行處理.pH值偏低，粘泥物增多，腐蝕傾向加劇.(反映水質腐蝕趨勢，主要通過飽和指數(shù)、穩(wěn)定指數(shù)、結垢指數(shù)來判斷其結垢和腐蝕[5]，通過結垢指數(shù)P.S.I=2pHs-pHeq<6時，結垢.P.S.I=2pHs-pHeq=6時，不結垢、不腐蝕；P.S.I=2pHs-pHeq>6時，腐蝕.通過計算結構指數(shù)，判定1#水場屬于易腐蝕結構.

圖2 本廠漏氨渠道內粘泥物滋生繁殖

4.水場流速偏低：本廠有20臺換熱器流速低于0.5 m/s，達不到控制要求，造成易結構和腐蝕.(循環(huán)水流速：循環(huán)冷卻水水管程流速應大于1.0 m/s[6]；循環(huán)冷卻水殼程流速應大0.3 m/s[6]).換熱器流速低于0.5 m/S換熱器堵塞嚴重，腐蝕結構嚴重.

5.1#水場濃縮倍數(shù)偏低：與設計保有水量過大有關；同時循環(huán)水存在一定泄漏，各項損失較大，造成水質濃縮倍數(shù)進一步降低.

圖3 換熱器管腐蝕

濃縮倍數(shù)數(shù)據(jù)對比圖4 月份濃縮倍數(shù)數(shù)值與控制值對比關系曲線

從圖4可以看出，1#水場濃縮倍數(shù)偏低，與同行業(yè)有一定差距.

2 循環(huán)水場優(yōu)化控制

1.節(jié)電控制上：水場根據(jù)季節(jié)變化，調整泵運行臺數(shù):1#循環(huán)水場循環(huán)水泵根據(jù)季節(jié)變化進行及時調整，采取冬季10臺泵運行，夏季12臺泵運行，達到節(jié)電目的，月創(chuàng)益32～35萬元.水場根據(jù)天氣情況及時調整擋風板，確保水溫控制在18～25 ℃，達到生產裝置運行需要.但拆掛擋風板調整水溫，自動化水平低.

2.節(jié)水措施：實現(xiàn)循環(huán)水零排污，降低補水量控制.1#水場補水量由原來的400 t/h降低至250～300 t/h，補水率從1.5-2.2降至1.05-1.1，節(jié)約價值40～60萬元.

3.水質定期管理：水場每年7月份定期進行一次化學清洗、預膜操作:對換熱器進行徹底的清洗及預膜，確保換熱器生成保護膜，防止換熱器的腐蝕和結垢.(碳鋼系統(tǒng)中基本采用磷系預膜，特別是磷-鋅復合預膜劑應用最廣[1]).1#水場化學清洗效果較好，銹片除銹率93.47%；預膜形成彩膜，滴定時間42 s，達到硫酸銅滴定≥10秒控制要求.水場每年進行3次的殺菌、殺菌剝離:投加非氧化性殺菌剝離劑，有效的進行系統(tǒng)的殺菌、剝離效果明顯，殺菌率97.26%.殺生劑可分為氧化性殺生劑和非氧化性殺生劑[2].水場以氧化性殺菌劑為主，每周投加2次，非氧化性殺菌劑以沖擊性方式投加，進一步殺死產生耐藥性的細菌，效果較好.

4.水場實現(xiàn)全自動加藥:根據(jù)電導率計算濃縮倍數(shù)實現(xiàn)緩蝕劑和阻垢劑的自動投加.通過計算程序，實現(xiàn)加藥泵全自動控制，緩蝕劑和阻垢劑濃度有效控制，實現(xiàn)水質優(yōu)化受控.

5.循環(huán)水在管理上總結出“四步”巡檢法:“一看、二嗅、三摸、四分析”，一看：接班后由循環(huán)水崗位班長對循環(huán)水外觀(水的顏色)進行觀察；二嗅：接班后由循環(huán)水崗位人員對循環(huán)水味道進行聞味(在吸水池人孔處聞水是否有物料味)；三摸：清洗渠道濾網(wǎng)時用手摸一摸污泥是否滑(滑證明有生物粘泥產生，需進行殺菌處理)；四分析：對循環(huán)水主要攻關數(shù)據(jù)進行分析(分析數(shù)據(jù)變化趨勢)，根據(jù)分析結果及時準確調整加藥量，做到藥劑量跟蹤到位，水質控制監(jiān)測到位.

6.加強腐蝕傾向控制：一是通過投加緩蝕劑遏制腐蝕加劇；二是通過加堿提高pH值，使pH值達到7.5～8.0；三是提高硬度和堿度，碳鋼腐蝕速度小；四是控制氯離子控制<300 mg/L,降低腐蝕穿透能力，降低腐蝕；五是降低懸浮物<30 mg/L，降低局部腐蝕.現(xiàn)水場一是旁濾系統(tǒng)已投用，降低懸浮物；二是加強化工裝置換熱器的排查，降低泄漏，降低COD含量，降低厭氧菌滋生繁殖；三是加大殺菌劑用量，余氯控制在0.1～0.5 mg/L,降低微生物量，降低異養(yǎng)菌、鐵細菌和硫酸鹽還原菌及真菌的產生；四是對8臺換熱器流速低于0.5 m/s的換熱器進行更新.(水流速控制在0.9～1.2 m/s，金屬腐蝕最小[5].)

7.控制各項損失，減少補水量：在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，補充水量=排水量+蒸發(fā)損失水量+風吹損失量+漏失水量[2].其中蒸發(fā)損失量與進、出口水溫及蒸汽損失系數(shù)有關，這與水場設計參數(shù)有關，很難進行控制.但其它損失量均能進行控制.降低補水量，就是減少排污量、減少泄漏量，減少風吹損失.而減少排污量，就是要保證水廠有較高的濃縮倍數(shù).本廠2#水場補充水量60 t/h，其中系統(tǒng)無泄漏大，濃縮倍數(shù)平均4.5，系統(tǒng)正常無排放水量，系統(tǒng)運行較為優(yōu)化.現(xiàn)1#水場以采取措施提高濃縮倍數(shù).

3 1#循環(huán)水場存在問題原因分析及處理措施

3.1 循環(huán)水場堿度呈下降趨勢，系統(tǒng)需加堿進行處理

本廠1#水場循環(huán)水堿度呈緩慢下降趨勢，主要原因是氨泄漏.當循環(huán)水系統(tǒng)漏氨時，在硝化菌群的作用下，NH3發(fā)生硝化反應，產生大量的亞硝酸根NO2-和硝酸根NO3-，使循環(huán)水的pH值、堿度降低加氯失效[2]，對設備產生腐蝕，同時為系統(tǒng)微生物群創(chuàng)造了更加合適的生長條件，使它們快速繁殖，導致循環(huán)水濁度增大，粘泥量明顯增加異養(yǎng)菌超標.

采取措施：

1.提高冷卻水的pH值或采用堿性冷卻水處理可以抑制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中金屬腐蝕[5].本廠通過加碳酸鈉來維持循環(huán)水堿度在40～50 mg/L，每年加堿平均在25～30 t.

2.增加氯片投加量，進行系統(tǒng)殺菌.

3.投加非氧化性殺菌劑，提高殺菌效果，防止菌藻繁殖.

4.投加殺菌剝離劑，剝離系統(tǒng)產生的粘泥防止粘泥物滋生.

5.進行系統(tǒng)化學清洗、預膜.

3.2 1#水場濃縮倍數(shù)偏低：

中石油企業(yè)濃縮倍數(shù)控制>4.0，但1#循環(huán)水場濃縮倍數(shù)在2.1-2.5濃縮倍數(shù)偏低原因：

1.1#水場蒸發(fā)量較低，給水、回水溫差3～4 ℃.

2.1#水場保有水量3.3萬噸，循環(huán)水量3.5萬噸/h，循環(huán)水量與保有水量的比例接近于1︰1，循環(huán)水蒸發(fā)濃縮后離子被保有水量稀釋，循環(huán)水中各離子濃度降低.

3.循環(huán)水系統(tǒng)存在一定的泄漏，循環(huán)水流失，補水量增大，造成濃縮倍數(shù)進一步降低.

4.水場帶裝置較多，系統(tǒng)有一定泄漏，系統(tǒng)有一定排污，造成補水量進一步加大，濃縮倍數(shù)進一步降低.

濃縮倍數(shù)偏低采取措施：

(1)循環(huán)水系統(tǒng)查找泄漏源，切斷泄漏點，實現(xiàn)水場零排污；

(2)各生產裝置加強換熱器運行管理，對于低流速換熱器進行改造，降低設備腐蝕泄漏，減少泄漏頻次.

(3)兩個水場旁濾系統(tǒng)投用，增加處理量，降低懸浮物，降低循環(huán)水濁度，提升水質質量.1#水場均采用自動化砂濾系統(tǒng)，定期反沖洗，提升水質質量.旁濾池處理水量400 t/時左右，達到處理水量2.1%.(一般將循環(huán)系統(tǒng)中2%～5%的水量通過旁濾池后，再返回系統(tǒng)[2].)

(4)控制好加藥量，降低微生物、異養(yǎng)菌量，降低循環(huán)水腐蝕數(shù)率，確保水質達標.

(5)查找地下循環(huán)水泄漏、各裝置排放造成循環(huán)水的浪費.降低過濾水用量，提升循環(huán)水各離子濃度，增加濃縮倍數(shù).

(6)1#水場通過上述查擺措施的實施，已降低補水量80～100 t/h，濃縮倍數(shù)已提升至3.0～3.5，水場優(yōu)化運行效果明顯.(濃縮倍數(shù)由3提高到5，即節(jié)約補充水量20%左右，減少排污量50%以上[6].)

4 循環(huán)水場提升下步管控措施

1.1#水場監(jiān)測換熱器進行更新改造.由于1#水場監(jiān)測換熱器已運行多年，很難達到實際現(xiàn)場模擬換熱器效果，數(shù)據(jù)監(jiān)測值還存在一定誤差，監(jiān)測換熱器需要進行更新.

2.循環(huán)水場填料更換：1#水場填料2003年更換后一直未進行更新，現(xiàn)破損較嚴重，應進行更換.2#水場填料更換時間為2005年，填料有一定破損，換熱器打開有黑色填料皮，對兩個水場填料利用檢修時間進行更換.在西歐、美國及日本等工業(yè)發(fā)達國家要求塑料填料的正常使用壽命為20年～25年.但我國填料很難達到上述使用壽命.主要是塑料片材不合格，采用劣質聚乙烯樹脂，配方不當、片材中摻入過量的碳酸鈣、增塑劑或摻入再生廢舊塑料[3].

3.1#水場補水閥現(xiàn)手動進行現(xiàn)場開關，應建議改為氣動調節(jié)閥：根據(jù)吸水池液位，控制室實現(xiàn)DCS自動調節(jié).

4.1#水場建議采用先進技術，實現(xiàn)擋風板自動投加：每年冬季手動掛擋風板，工作量大，安全系數(shù)低，同時摘掛擋板造成水質濁度、鐵變化較大，影響水質指標.溫度發(fā)生變化，摘掛擋風板增加工作量，造成一定滯后，為此1#水場建議采用先進技術，實現(xiàn)擋風板自動投加.

5.兩個水場循環(huán)水場殺菌劑固體氯片改為次氯酸鈉運行，通過泵實現(xiàn)自動投加，降低環(huán)境污染，節(jié)約人工、成本費用.

5 循環(huán)水水質異常處理

1.查找泄漏源：為了防止換熱器泄漏對循環(huán)水系統(tǒng)的污染，及時發(fā)現(xiàn)和及時處理是保證保證循環(huán)水系統(tǒng)高效平穩(wěn)運行的關鍵.

2.制定泄漏處理方案：通過感官指標和檢驗指標的判定泄漏源，通過分析數(shù)據(jù)采取對應處理措施，實現(xiàn)加藥果斷，處理及時的效果.

表1 水質異常指標

3.水場回水線監(jiān)測：通過監(jiān)測回水指標、測爆分析查找泄漏源，切斷泄漏源，縮短排查時間，及時切除泄漏換熱器.

4.泄漏應急處理的技術：

(1)為了避免泄漏對系統(tǒng)造成的影響，循環(huán)水場具有應急處理措施及藥劑貯備.

(2)發(fā)生泄漏時，應控制好循環(huán)水中微生物的過度繁殖，改用有針對性的殺菌劑進行定期殺菌剝離處理.

(3)具有強烈腐蝕性介質泄漏，盡早進行置換處理，必要時系統(tǒng)進行重新清洗和預膜處理，清洗和預膜階段控制好系統(tǒng)pH值.

(4)系統(tǒng)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，應加大緩蝕劑投加量.同時進行大量置換排放，置換合格后，加大藥劑量的投加.

(5) 如果系統(tǒng)產生泥垢沉積，要利用殺菌劑和剝離劑進行交替清洗.每個藥劑運行時間超過48 h，進行大量置換排放，藥劑投放量為正常濃度的1.5～2倍為宜.

6 結 論

通過循環(huán)水水質應用技術與優(yōu)化管控，提高水場濃縮倍數(shù)，實現(xiàn)水質達標運行，確保水場達到同行業(yè)先進水平.從優(yōu)化管理、數(shù)據(jù)分析、泄漏處理、措施與管理等方面闡述了提升循環(huán)水場優(yōu)化調優(yōu)的措施，對各類水場優(yōu)化與管控有一定借鑒作用.