專利名稱：一種循環(huán)冷卻水水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化及環(huán)境保護領(lǐng)域，特別涉及一種循環(huán)冷卻水水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備。
背景技術(shù)：
冷卻水系統(tǒng)的結(jié)垢和腐蝕是冷換設(shè)備損壞和效率降低的主要危害之一。工業(yè)循環(huán)冷卻水在不斷循環(huán)使用過程中，由于水溫、流速的變化，水的蒸發(fā)損失，各種無機和有機物質(zhì)的濃縮，冷卻塔和冷水池在室外受到陽光的照射、風(fēng)吹雨淋、灰塵雜物的進入以及設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料等多種原因的綜合作用，會產(chǎn)生嚴(yán)重的沉積物附著、設(shè)備腐蝕和微生物的大量滋生。它們會破壞循環(huán)冷卻設(shè)備的工藝性能，損壞設(shè)備，威脅工廠長周期的安全生產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。
通過對循環(huán)冷卻水水質(zhì)進行監(jiān)控是解決上述問題的有效途徑之一。但目前在國內(nèi)，對循環(huán)冷卻水的在線監(jiān)測多局限于電導(dǎo)率或?qū)δ骋粏我浑x子的監(jiān)測，對腐蝕情況的反應(yīng)難以全面，對結(jié)垢的預(yù)測能力也很有限；在對水質(zhì)的控制上還存在很大問題，尤其是對加藥系統(tǒng)的控制，無論是加藥量還是加藥時間的確定都無法實現(xiàn)精確和自動化。這樣做的弊端是顯而易見的由于所加藥劑是強酸強堿，盲目地加藥對管道的損害很大，且造成循環(huán)水pH值等水質(zhì)參數(shù)的劇烈波動，在開放系統(tǒng)中這種損害的效應(yīng)更為明顯。目前，國內(nèi)雖有少數(shù)企業(yè)建立了循環(huán)水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，但控制參數(shù)較少，且對循環(huán)水主要的結(jié)垢和腐蝕動態(tài)監(jiān)測與控制尚未實現(xiàn)，大部分工作仍需人工參與。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決設(shè)備的結(jié)垢和腐蝕問題，實現(xiàn)水質(zhì)的在線監(jiān)測以及控制過程自動化開發(fā)出了一種循環(huán)冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，以循環(huán)冷卻水的pH值、電導(dǎo)率、硬度、Cl-濃度、Fe2+濃度和冷卻水的溫度、流量等參數(shù)作為設(shè)備結(jié)垢和腐蝕情況及其趨勢的主要判定依據(jù)，通過對相關(guān)參數(shù)的調(diào)整達(dá)到防止或減緩設(shè)備結(jié)垢和腐蝕的目的。
一種循環(huán)冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)以PLC可編程控制器為核心，另設(shè)九個單元，即pH在線監(jiān)測單元、電導(dǎo)率在線監(jiān)測單元、流速在線監(jiān)測單元、硬度在線監(jiān)測單元、腐蝕電阻在線監(jiān)測單元、氯離子濃度在線監(jiān)測單元、比例加藥自控單元、補水自控單元、自動排污控制單元?？蓪崿F(xiàn)加藥過程的自動控制、濃縮水的自動排放和新水的自動補充。
pH在線監(jiān)測單元加酸控制的穩(wěn)定性是化學(xué)水處理的成敗關(guān)鍵。加酸處理方案中以計算酸的最大日用量，設(shè)置了酸緩沖罐。即使發(fā)生意外，緩沖罐中酸全部進入系統(tǒng)中，也不會帶來致命危害。
設(shè)計中采用自動加酸和人工加酸兩種方式，當(dāng)自動加酸出現(xiàn)故障或需維護時，采用人工加酸。自動加酸裝置在控制中心終端上可設(shè)定pH值的最大值pHmax和最小值pHmin，當(dāng)復(fù)合電極中的pH探頭反映到pH大于pHmax時，循環(huán)水系統(tǒng)傾向于結(jié)垢，控制系統(tǒng)發(fā)出信號開啟加酸泵；當(dāng)pH不足pHmin時，循環(huán)水系統(tǒng)傾向于腐蝕，控制系統(tǒng)發(fā)出信號關(guān)閉加酸泵停止加酸。
加酸點的選擇，應(yīng)選擇能很快把酸稀釋均勻的地方，所以加酸點選在冷水池中回水的地方，并盡量遠(yuǎn)離泵的吸入口。
加酸量的選擇可由PLC根據(jù)公式自動算出。
自動排污控制單元由電導(dǎo)率控制，電導(dǎo)率的上限在控制中心終端設(shè)定，當(dāng)測得的值超出上限時，PLC輸出報警信號，并在控制中心終端顯示。當(dāng)濃縮倍率上升時，電導(dǎo)率也隨之上升，但并不成比例，濃縮倍率上升1倍時，電導(dǎo)率上升的比例在0.9～1.0之間。并且循環(huán)水溫度比較穩(wěn)定，所以對電導(dǎo)率影響并不大。根據(jù)監(jiān)測氯根等項目測出濃縮倍率為3時，所對應(yīng)的電導(dǎo)率即為控制電導(dǎo)率?？刂齐妼?dǎo)率加上原來電導(dǎo)率的10％即為電導(dǎo)率的控制上下限。根據(jù)電導(dǎo)率在線監(jiān)測值輸出的信號由電磁氣動閥自動控制排污。排污點選擇在換熱器的回水處。排污量根據(jù)探測儀返回的參數(shù)由系統(tǒng)自動得出。
比例加藥自控單元采用了自動化裝置，以保證了排污的連續(xù)性，考慮到在線監(jiān)測設(shè)備的經(jīng)濟和穩(wěn)定性，采用計量泵往循環(huán)水里自動補藥。藥量控制設(shè)定好當(dāng)前各種藥劑的主要成分和濃度后，監(jiān)控軟件根據(jù)各探頭返回的數(shù)據(jù)自動計算加藥量。
補水自動控制單元系統(tǒng)根據(jù)冷水池液位計所指示的數(shù)值，控制帶有控制頭的正壓水表的停啟，從而實現(xiàn)自動補水。
流速在線監(jiān)測自控單元在換熱器上裝有流速探測儀。當(dāng)流速低于下限時，PLC會輸出報警信號，并在控制中心終端顯示。各換熱器的流速下限都可在控制中心終端設(shè)定。
氯離子濃度在線監(jiān)測單元除去復(fù)合電極中對Cl-離子的檢測外，在換熱器上各裝有Cl-濃度監(jiān)測儀。當(dāng)換熱器Cl-濃度高于上限時PLC會輸出報警信號，并在控制中心終端顯示。各換熱器的Cl-濃度上限均可在控制中心終端設(shè)定。
控制中心終端與PLC完成對全部監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理并根據(jù)處理結(jié)果控制所有自控設(shè)備。工業(yè)循環(huán)水經(jīng)過冷卻塔進入冷水池，由冷水池進入緩沖池。在緩沖池安裝復(fù)合電極監(jiān)測設(shè)備，用以測定循環(huán)水的pH值、電導(dǎo)率、氯離子濃度、硬度及亞鐵離子濃度等。各種測得的參數(shù)通過通信線路返回控制中心，經(jīng)過PLC處理后輸入控制終端。自動監(jiān)控軟件根據(jù)各種參數(shù)值，啟動相應(yīng)的加藥，補水，加酸，排污等自控設(shè)備，從而完成水質(zhì)的在線自動監(jiān)測與控制。
控制依據(jù)首先確定需要考察的幾個參數(shù)，由動態(tài)試驗得出維持水質(zhì)基本穩(wěn)定時它們相互作用時水質(zhì)變化的規(guī)律，劃分出針對水質(zhì)體系的腐蝕區(qū)、動態(tài)穩(wěn)定區(qū)和結(jié)垢區(qū)，根據(jù)該水質(zhì)圖和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過控制系統(tǒng)對加藥系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和補水系統(tǒng)進行控制。
根據(jù)原始數(shù)據(jù)及水質(zhì)分析的結(jié)果推算出工況溫度和濃縮倍率時代表結(jié)垢和腐蝕傾向的三種指數(shù)雷茲納穩(wěn)定指數(shù)、朗格利爾飽和指數(shù)和結(jié)垢指數(shù)。
各指數(shù)及飽和pH值計算如下首先計算飽和pH值pHS＝(9.70+A+B)-(C+D)其中A代表總?cè)芙夤腆w系數(shù)，B代表溫度系數(shù)，C代表鈣硬度系數(shù)，D代表總堿度系數(shù)，根據(jù)水質(zhì)全分析數(shù)據(jù)，可以從相關(guān)表格中查找。以下指標(biāo)中的pH值為循環(huán)水在運行溫度下的實際pH值。
郎格利爾指數(shù)(飽和指數(shù))Is＝pH-pHS雷茲納穩(wěn)定指數(shù)S＝2pHS-pH結(jié)垢指數(shù)PSI＝2pHS-pHeq其中，pHeq＝1.4651gM+4.54，M為總堿度表1水質(zhì)指數(shù)判斷

PLC控制系統(tǒng)1、采集數(shù)據(jù)控制復(fù)合電極對水質(zhì)參數(shù)自動采集，記錄數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送入專家系統(tǒng)。
2、數(shù)據(jù)分析計算Cl-濃縮倍率N；N＝[Cl-]循環(huán)水/[Cl-]補充水根據(jù)公式計算雷茲納穩(wěn)定指數(shù)、朗格利爾飽和指數(shù)和結(jié)垢指數(shù)；根據(jù)指數(shù)分析給出水質(zhì)狀態(tài)，計算排污量和補水量并得出現(xiàn)場需做出的反應(yīng)。
3、對現(xiàn)場控制由pH值、腐蝕電阻值結(jié)合指數(shù)指標(biāo)控制加藥系統(tǒng)的加酸泵、加藥泵開關(guān)連續(xù)加藥；由電導(dǎo)率結(jié)合濃縮倍率及指數(shù)指標(biāo)控制自動排污系統(tǒng)的電磁氣動閥的開關(guān)；由液位計控制自動補水系統(tǒng)的電磁氣動閥的開關(guān)，自動補水系統(tǒng)和自動排污系統(tǒng)均為連續(xù)運行。
為實時采樣，獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)，本發(fā)明采用了自行設(shè)計的多參數(shù)直插式水質(zhì)在線監(jiān)測復(fù)合電極設(shè)備，本設(shè)備包括1、聚四氟護套 2、電極測量部分—陶瓷內(nèi)心 3、不銹鋼套管 4、數(shù)據(jù)傳輸接口 5、安裝卡槽。安裝方式探頭直接安裝在工藝管線上，240℃安裝形式為帶壓可拆卸安裝，240℃以上可采用法蘭式連接。不銹鋼套管耐蝕耐水流沖擊耐碰撞；可拆卸聚四氟護套可保護電極敏感元件免受異物碰撞傷害，便于清洗，護套上有孔洞以保證液體流通；陶瓷內(nèi)芯強度大，可對敏感元件起到足夠的保護作用。
本設(shè)備應(yīng)用電化學(xué)原理對水質(zhì)情況進行監(jiān)測控制，其基本原理是根據(jù)金屬在水溶液中的腐蝕結(jié)垢傾向與介質(zhì)的活度、活度系數(shù)有密切的關(guān)系。
根據(jù)熱力學(xué)原理，腐蝕電池電動勢的產(chǎn)生是體系發(fā)生腐蝕的動力。溶液中腐蝕電池的電動勢等于陽極反應(yīng)(即金屬的腐蝕反應(yīng))的電位和陰極反應(yīng)的電位的代數(shù)和。從熱力學(xué)角度對體系腐蝕傾向的判斷可運用電化學(xué)原理中的能斯特(Nernst)方程，見式(1) 它反映了腐蝕電池的電動勢受腐蝕電池中反應(yīng)物和產(chǎn)物的活度的影響的關(guān)系(在濃度足夠低時可用濃度代替活度)。腐蝕電池中反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度的變化可以導(dǎo)致電動勢的變化，亦即說，導(dǎo)致了腐蝕傾向的變化。當(dāng)金屬的電極電位低于其本身標(biāo)準(zhǔn)電極電位時金屬有腐蝕傾向。故此，控制設(shè)備材料的電極電位在合理的指標(biāo)之內(nèi)是預(yù)防和控制設(shè)備腐蝕的有效手段。
研究表明，對大多數(shù)金屬來說(尤其是鐵)Cl-的存在是降低其電極電位的關(guān)鍵性因素，在某一體系中容許存在的Cl-的濃度有一定范圍，超出將導(dǎo)致腐蝕。在循環(huán)水系統(tǒng)中，Cl-濃度又是考察濃縮倍率的技術(shù)參數(shù)之一；介質(zhì)電導(dǎo)率、pH值、硬度等參數(shù)變化反映了水質(zhì)腐蝕和結(jié)垢傾向的變化；腐蝕電阻反映了腐蝕傾向和腐蝕速度大小等等。監(jiān)測這些相關(guān)參數(shù)的在線變化可以及時了解到水質(zhì)的腐蝕結(jié)垢傾向。也為將各參數(shù)控制在安全范圍之內(nèi)提供了保障，使生產(chǎn)可以連續(xù)、安全的進行，進而減少濃縮水排出對環(huán)境的壓力。
應(yīng)當(dāng)指出的是，不同的循環(huán)水設(shè)備應(yīng)考察的參數(shù)不盡相同，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇監(jiān)控參數(shù)制定具體的監(jiān)測計劃。
本發(fā)明優(yōu)點是1、節(jié)約補充水并可減少污水排放量。循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行可有效控制水質(zhì)滿足工藝要求，對補水系統(tǒng)的自動控制減少了人工控制時系統(tǒng)嚴(yán)重缺水和補水過多的情況。循環(huán)水排出的濃水處理困難成本高，排污水的減少減輕了對環(huán)境的壓力也降低了工廠的污水處理量，有很好的經(jīng)濟效益；2、節(jié)約藥劑。對水質(zhì)及補水系統(tǒng)、排污系統(tǒng)合理而有效的控制避免了人工控制時盲目加藥的情況，使加藥量和加藥時間趨于合理，在保證水質(zhì)的情況下可顯著減少藥劑用量；3、可大大提高pH值、濃縮倍率、硬度、Cl-濃度等工藝指標(biāo)的合格率。自動在線監(jiān)測和自動控制的實現(xiàn)可大大減少人工監(jiān)測控制時產(chǎn)生系統(tǒng)誤差和人為誤差，為水質(zhì)穩(wěn)定提供了可靠的基礎(chǔ)，可以較好的保證指標(biāo)監(jiān)測和控制的合理、合格。
4、提高了循環(huán)冷卻水水質(zhì)和控制的自動化程度。
多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測復(fù)合電極是將多種探頭組成一體化的水質(zhì)參數(shù)探測器，對循環(huán)冷卻水中的pH值、電導(dǎo)率、硬度、Cl-濃度、Fe2+濃度和冷卻水的溫度、流量等參數(shù)實施全面的實時在線監(jiān)測，根據(jù)有關(guān)水質(zhì)參數(shù)的數(shù)值和變化趨勢，由所建立的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)判斷循環(huán)冷卻設(shè)備的腐蝕結(jié)垢傾向，得出藥劑的加入量和加入時間，通過以PLC為中心的智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)加藥過程的自動控制、濃縮水的自動排放和新水的自動補充。


圖1為現(xiàn)場法蘭連接示意圖。
圖2為多參數(shù)直插式水質(zhì)在線監(jiān)測復(fù)合電極結(jié)構(gòu)示意圖。
1.聚四氟護套 2.電極測量部分—陶瓷內(nèi)心 3.不銹鋼套管4.數(shù)據(jù)傳輸接口5.安裝卡槽圖3為循環(huán)冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)工作流程示意圖。
11.緩蝕阻垢劑 12.酸 13.人工加藥裝置 14.人工加酸裝置 15.計量泵 16.冷卻塔17.冷水池 18.帶有控制頭的正壓水表 19.補充水、20.自動排污 21.PLC 22.終端23.緩沖池 24.復(fù)合電極 25.數(shù)據(jù)采集器 26.分水池 27.流速計 28.換熱器
具體實施例方式電極探頭直接安裝在工藝管線上，或采用法蘭式連接。規(guī)格不銹鋼套管φ25×100mm聚四氟護套φ25×25mm陶瓷內(nèi)芯φ20×120mm測量敏感元件舉例
表2測量敏感元件舉例

注另外可根據(jù)具體的循環(huán)水系統(tǒng)對監(jiān)測參數(shù)進行刪減和增補說明電極每4～5個月需清洗一次。
特點1.多種參數(shù)pH、電導(dǎo)率、硬度、Cl-濃度、腐蝕電阻等可同時采集同時送檢分析，便于及時全面地了解水質(zhì)腐蝕結(jié)垢傾向；2.需要時電極內(nèi)部各電極可單獨拆卸更換，以適應(yīng)不同的現(xiàn)場情況；適當(dāng)?shù)那逑刺幚砗罂衫^續(xù)使用；3.耐蝕性強，強度精度都可滿足工業(yè)在線測量的要求；4.具有溫度補償功能，適用于中、常溫測量。
權(quán)利要求
1.一種循環(huán)冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)以PLC可編程控制器為核心，另設(shè)九個單元，即pH在線監(jiān)測單元、電導(dǎo)率在線監(jiān)測單元、流速在線監(jiān)測單元、硬度在線監(jiān)測單元、腐蝕電阻在線監(jiān)測單元、氯離子濃度在線監(jiān)測單元、比例加藥自控單元、補水自控單元、自動排污控制單元。
2.如權(quán)利要求1所述的冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于pH在線監(jiān)測單元設(shè)計中采用自動加酸和人工加酸兩種方式，自動加酸裝置在控制中心終端上可設(shè)定pH值的最大值pHmax和最小值pHmin，當(dāng)pH探頭反映到pH大于pHmax時，循環(huán)水系統(tǒng)易于結(jié)垢，pH控制儀發(fā)出信號開啟加酸泵；當(dāng)pH不足pHmin時，循環(huán)水系統(tǒng)易于腐蝕，pH控制儀發(fā)出信號關(guān)閉加酸泵停止加酸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于自動排污控制單元由電導(dǎo)率控制，電導(dǎo)率的上限在控制中心終端設(shè)定，當(dāng)測得的值超出上限時，PLC輸出報警信號，并在控制中心終端顯示，根據(jù)監(jiān)測Cl-等項目測出濃縮倍率為3時，所對應(yīng)的電導(dǎo)率即為控制電導(dǎo)率，控制電導(dǎo)率加上原來電導(dǎo)率的10％即為電導(dǎo)率的控制上下限。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于比例加藥自控單元采用計量泵往循環(huán)水里自動補藥，設(shè)定好當(dāng)前各種藥劑的主要成分和濃度后，監(jiān)控軟件根據(jù)各探頭返回的數(shù)據(jù)自動計算加藥量。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于補水自動控制單元系統(tǒng)根據(jù)冷水池液位計所指示的數(shù)值，控制帶有控制頭的正壓水表的停啟，從而實現(xiàn)自動補水；流速在線監(jiān)測單元在換熱器上裝有流速探測儀，當(dāng)流速低于下限時，PLC會輸出報警信號，并在控制中心終端顯示；Cl-濃度在線監(jiān)測單元在換熱器上各裝有Cl-濃度監(jiān)測儀，當(dāng)換熱器Cl-濃度高于上限時PLC會輸出報警信號，并在控制中心終端顯示。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于現(xiàn)場控制由pH值、腐蝕電阻值結(jié)合指數(shù)指標(biāo)控制加藥系統(tǒng)的加酸泵、加藥泵開關(guān)連續(xù)加藥；由電導(dǎo)率結(jié)合濃縮倍率及指數(shù)指標(biāo)控制自動排污系統(tǒng)的電磁氣動閥的開關(guān)；由液位計控制自動補水系統(tǒng)的電磁氣動閥的開關(guān)，自動補水系統(tǒng)和自動排污系統(tǒng)均為連續(xù)運行。
7.一種用于循環(huán)冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)的多參數(shù)直插式水質(zhì)在線監(jiān)測復(fù)合電極設(shè)備，其特征在于本設(shè)備由(1)、聚四氟護套(2)、電極測量部分--陶瓷內(nèi)心(3)、不銹鋼套管(4)、數(shù)據(jù)傳輸接口(5)安裝卡槽組成。
全文摘要
本發(fā)明屬于自動化及環(huán)境保護領(lǐng)域，特別涉及一種循環(huán)冷卻水水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備。其特征在于該系統(tǒng)以PLC可編程控制器為核心，另設(shè)九個單元，即pH在線監(jiān)測單元、電導(dǎo)率在線監(jiān)測單元、流速在線監(jiān)測單元、硬度在線監(jiān)測單元、腐蝕電阻在線監(jiān)測單元、Cl
文檔編號G01N35/00GK1514248SQ03120808
公開日2004年7月21日 申請日期2003年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者郭湛, 汪莉, 陳瑛, 宋存義, 劉建, 張百煉, 劉庭, 韓劍宏, 王龍欣, 孫文亮, 郭 湛 申請人:北京科技大學(xué)