原云峰

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，山西 長(zhǎng)治 046011）

循環(huán)冷卻水加酸處理在工業(yè)應(yīng)用實(shí)例

原云峰

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，山西 長(zhǎng)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(jié)垢，并大幅提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以pH值為負(fù)反饋的完全自動(dòng)化控制，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)可通過1塊觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，可大幅降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了完善的報(bào)警系統(tǒng)，消除了安全隱患。

循環(huán)冷卻水；自動(dòng)控制；濃縮倍數(shù)

1 項(xiàng)目背景

隨著經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)水冷火電機(jī)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(bǔ)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(zhì)和補(bǔ)充的新鮮水量是企業(yè)最為關(guān)心的參數(shù)，這2個(gè)參數(shù)由濃縮倍數(shù)決定，濃縮倍數(shù)的定義值為新鮮補(bǔ)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(huì)出現(xiàn)水分蒸發(fā)，但其中的離子不會(huì)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(zhì)的結(jié)垢和腐蝕傾向也會(huì)越來越嚴(yán)重［3］。其中的CaCO3，MgCO3等難溶于水，鹽會(huì)因超飽和度后析出結(jié)垢，且結(jié)垢程度會(huì)隨超出的飽和度上升而增加。所以定期需要強(qiáng)制排除一部分高硬度水，補(bǔ)充新的水源。這就出現(xiàn)了一個(gè)矛盾，想節(jié)約水資源就會(huì)造成管道的結(jié)垢問題，管道的結(jié)垢會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的負(fù)擔(dān)，每1 mm的水垢會(huì)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(jié)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(huì)趨于平緩，并且由于濃縮倍數(shù)過高，對(duì)水質(zhì)穩(wěn)定劑和加酸計(jì)量更為敏感，絮狀沉淀物會(huì)增多，引起的腐蝕和結(jié)垢問題會(huì)帶來很大的負(fù)增益。所以，濃縮倍數(shù)需要高但不宜過高，應(yīng)視具體情況而定。不少老的處理系統(tǒng)技術(shù)落后，自動(dòng)化程度低、運(yùn)行效率低［4］。在某企業(yè)中，對(duì)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(diào)節(jié)pH值時(shí)間周期長(zhǎng)，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(dòng)大，循環(huán)水極易出現(xiàn)過堿結(jié)垢或是過酸腐蝕。在人力成本上，加酸地點(diǎn)距離廠房較遠(yuǎn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，儲(chǔ)酸罐最大容量設(shè)計(jì)不足，需要頻繁加酸。工業(yè)硫酸屬化學(xué)危險(xiǎn)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(dòng)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(zhì)量，防止設(shè)備結(jié)垢和腐蝕的自動(dòng)控制方案，并且完成在廠房中可以遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制整個(gè)循環(huán)冷卻水的實(shí)時(shí)狀態(tài)，降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 項(xiàng)目實(shí)施

2.1 管路改造

原管路為雙路冷卻塔，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上每路冷卻管道在加酸位置后50 m處增加1個(gè)U型管道，用于pH測(cè)試儀采樣取值。為避免人員接觸硫酸的可能性，增加1臺(tái)卸酸泵，增加2臺(tái)容積為12.5 m3的儲(chǔ)酸罐，當(dāng)硫酸廠運(yùn)來硫酸時(shí)，通過卸酸泵自動(dòng)將硫酸打到儲(chǔ)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(chǔ)酸罐中增加1個(gè)翻球式磁浮液位計(jì)，用以指示當(dāng)前硫酸儲(chǔ)備值，并將此數(shù)值轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電氣信號(hào)送給PLC。因?yàn)橄到y(tǒng)采用的是98%的濃硫酸，腐蝕性極強(qiáng)，故卸酸泵的通流部分需采用氟塑料，儲(chǔ)酸罐材質(zhì)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(cè)和實(shí)施器件放置在遠(yuǎn)離廠區(qū)的管路附近，將負(fù)責(zé)運(yùn)算的PLC和人機(jī)交互控制的觸摸顯示屏放在廠區(qū)中，實(shí)現(xiàn)了人員在辦公室就可以完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(cè)儀的電氣信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部PID運(yùn)算后，將結(jié)果轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)，通過控制沖程調(diào)節(jié)器和變頻器，完成對(duì)加入硫酸量的控制，PLC與1臺(tái)觸摸屏連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)功能，完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，整體方案實(shí)現(xiàn)以循環(huán)冷卻水

pH值作為負(fù)反饋的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)會(huì)采用PLC和組態(tài)軟件的結(jié)合，通過1臺(tái)臺(tái)式電腦完成人機(jī)交互，這種方案不僅前期研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，且會(huì)增加控制系統(tǒng)成本，且臺(tái)式電腦和工控軟件的引入也會(huì)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(jī)交互效果，降低成本的同時(shí)還增強(qiáng)了穩(wěn)定性，便于安裝和維護(hù)，故采用觸摸屏取代了臺(tái)式電腦。

循環(huán)水的檢測(cè)通過智能pH測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)，選用精度可達(dá)到0.01 pH的儀器，在測(cè)試儀液晶屏實(shí)時(shí)顯示循環(huán)水pH值的同時(shí)，將pH值自動(dòng)轉(zhuǎn)成4～20 mA的電氣信號(hào)送給PLC。PLC選用臺(tái)達(dá)的DVP-ES2，與其他控制器相比較，這款PLC可擴(kuò)展模塊豐富，I/O口充足，自帶RS485邏輯，內(nèi)部集成PID運(yùn)算指令，且與所選的上位機(jī)兼容性好，價(jià)格更低廉。需要PLC完成輸入/輸出標(biāo)準(zhǔn)的電氣信號(hào)功能，故增加A/D和D/A模塊，由于擔(dān)心PLC本體的24 V帶載能力差，所以附加模塊用獨(dú)立的DC 24 V直流源供電。

系統(tǒng)在自動(dòng)模式下，PLC運(yùn)算后的結(jié)果會(huì)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(jì)量泵配套的沖程調(diào)節(jié)器也會(huì)影響添加硫酸量，在變頻器數(shù)值穩(wěn)定的情況下，沖程調(diào)節(jié)器設(shè)置的數(shù)值和添加硫酸的量成正比。PID參數(shù)由設(shè)備提供方調(diào)試完成后，默認(rèn)不得修改，但是隨設(shè)備性能下降或水質(zhì)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(jié)垢，故增加一處可以線性添加的硫酸量。沖程余量設(shè)計(jì)不宜過大，過大的余量設(shè)計(jì)會(huì)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(jì)量泵最大流量比值的2倍來設(shè)定。由于加入的硫酸濃度過高，在隔膜計(jì)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(huì)因濃度過高造成腐蝕情況。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，會(huì)出現(xiàn)各種突發(fā)情況，故系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，添加了手動(dòng)控制和加酸設(shè)備的余量設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)需要人為干預(yù)時(shí)，可以通過上位機(jī)選擇變頻器的手動(dòng)控制功能，變頻器選用的是FVR-ES9，將手動(dòng)控制的I/O與控制面板上的旋位電阻器相連，通過旋轉(zhuǎn)電位器完成對(duì)變頻器的手動(dòng)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(shè)備，以保障生產(chǎn)的平穩(wěn)。

2.4 人機(jī)交互

整個(gè)裝置通過觸摸屏完成人機(jī)交互，MT506Se-View觸摸屏與臺(tái)達(dá)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(diào)試模式，大大縮短了研發(fā)時(shí)間。軟件分為4個(gè)模塊：變頻器控制、計(jì)量泵控制、狀態(tài)顯示和PID參數(shù)調(diào)節(jié)。通過觸摸屏可以控制PID參數(shù)的設(shè)定，選擇變頻器的手、自動(dòng)模式和工、變頻模式，選擇計(jì)量泵的開關(guān)狀態(tài)和沖程位置。為了應(yīng)對(duì)一些特殊情況，在觸摸屏上選擇手動(dòng)模式后，添加硫酸量就不再由PLC控制輸出，由操作員手動(dòng)控制。此外通過觸摸屏還可以觀測(cè)系統(tǒng)中各部件的狀態(tài)，例如循環(huán)冷卻水實(shí)時(shí)的pH值、各個(gè)變頻器和計(jì)量泵的狀態(tài)、儲(chǔ)酸罐的液位以及報(bào)警狀態(tài)的復(fù)位，在pH值小于6和大于9的狀態(tài)下，或是儲(chǔ)酸罐液位低于安全值的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài)可以通過觸摸屏關(guān)閉。

2.5 算法

本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)節(jié)算法。PLC內(nèi)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(shè)定。由于pH值在中性點(diǎn)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(shè)立死區(qū)，在pH值處于7.0～8.5之間，系統(tǒng)不進(jìn)行控制動(dòng)作，只有pH值大于8.5之后，系統(tǒng)才開始進(jìn)行響應(yīng)。系統(tǒng)的采樣周期為2 s，每記錄1個(gè)數(shù)值，都會(huì)和之前之后的2個(gè)數(shù)值去做比較，如果相差值過大，則會(huì)去除這個(gè)數(shù)值，以避免錯(cuò)誤數(shù)據(jù)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)每1 min將所儲(chǔ)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(jié)論

系統(tǒng)在運(yùn)行中，應(yīng)加入對(duì)應(yīng)的水穩(wěn)定劑，pH值穩(wěn)定在7.0～8.5之間時(shí)，在緩蝕劑保證系統(tǒng)不會(huì)被腐蝕的情況下提升濃縮倍數(shù)。某地火力發(fā)電廠的實(shí)際運(yùn)行中，常年將濃縮倍數(shù)穩(wěn)定在4.35之上，減少補(bǔ)充水量約3成，且可以有效防止管路結(jié)垢、提高系統(tǒng)管理的負(fù)荷能力。新系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，控制穩(wěn)定。自動(dòng)化程度的提高，大大降低了人力成本和操作中的危險(xiǎn)程度。采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，使得系統(tǒng)易被操作和觀測(cè)。本循環(huán)水自動(dòng)控制系統(tǒng)兼容性好，應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，在節(jié)能降耗和降低排污方面有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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

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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(xué)碩士，講師，Email：yuanyf1234@163.com

2017-03-07

修改稿日期：2017-07-06