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某食品厂空调水系统加药装置的选型

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：嵇赛培

[导读] 摘要：多年来，由于水系统结垢和腐蚀造成空调水机组功能下降、使用寿命降低、能耗增加，工厂长期处于设备、管线维修的局面，造成极大的浪费。

        中国电子系统工程第二建设有限公司江苏省无锡市 214135
        摘要：多年来，由于水系统结垢和腐蚀造成空调水机组功能下降、使用寿命降低、能耗增加，工厂长期处于设备、管线维修的局面，造成极大的浪费。为改变这种状况，需要在工业的冷冻水、冷却水系统中增加对原水的处理技术。该技术是向水中投加药剂—水质稳定剂:包括分散剂、阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂等。从而保证空调水系统的正常运行，节约能耗、绿色环保。
        关键词：腐蚀；加药装置；节能
        0. 引言
        在某食品工业园区，现代化的洁净食品工厂，对卫生和洁净要求都是很高的，净化级别达到了十万级甚至万级。厂房建设，同时注重环保和节能减排，减少能源的浪费，减少后期工厂运行成本。
        厂房空调水系统给洁净房间提供了温适的温度，但如何保证空调循环水系统正常运行或者减少空调循环水运行风险，是我们当下应当考虑的事情。
        1. 空调循环水水系统
        1.1 原水水质情况
        1.1.1、长江流域的天然水质情况：
        含盐量（mg/l）＜100~300；总硬度（mg/l）＜50~150；PH 值：6.5-7.5；化学组成：Ca(HCO3)2、NaHCO3等
        1.1.2、循环水的性质
        1）物理特性：
        A、水的比热较大，传热较快；
        B、黏度小，流动性强。
        2）化学特性:
        A、不同金属之间产生电化学腐蚀、施工安装接口端产生应力腐蚀、循环水氧浓度差，产生氧腐蚀；
        B、敞开式冷却水随着浓缩倍数的升高，硬度成倍增长，导致结垢，降低换热效率，结果增加能耗。
        C、与空气接触易产生生物菌藻；
        D、水中的腐蚀产物、生物粘泥及大气夹带物导致悬浮物、浊度升高，形成污垢。
        3）循环水在热交换设备内的特性：
        A、流速慢（可计算），悬浮物易于沉积在管壁，形成垢类；
        B、靠近管壁水温较高，易结垢（Ca2+ Mg2+）；
        C、易产生垢下腐蚀；
        D、水中CL-、SO42-离子对管道易产生腐蚀；
        E、被处理的循环水其PH值超出金属设备、管道的钝化区易产生腐蚀。
        1.2 空调循环水设计原则
        1.2.1 空调循环水设计要求：
        遵照国家级行业有关法规要求，并结合工程实际情况进行设计，确保循环水系统运行水质指标稳定在设计的水质范围内。
        总结国内外循环水处理的成功经验，确保水处理设备的成熟、合理、可靠。提高冷却水系统浓缩倍数，确保系统水质的稳定、安全，并达到国家规定的标准。
        充分考虑循环水处理系统配套的措施，从而有效保证系统稳定运行；选择对周围环境的影响较小的工艺，排污水中的含磷量符合排放要求。防止排污水对环境的二次污染。
        1.2.2 空调循环水运行水质指标：
        本次设计循环水运行水质是依据项目地城市自来水水质，并参考《GB50050—2007 工业循环冷却水处理设计》规范中规定的循环水浓缩倍数，结合我公司多年项目实践的运营数据进行合理设计的。并且在系统运行过程中，根据实际水质变化会做适当调整。
        循环水水质要求表：

        注：
        1、板式换热器一次及二次水的浊度小于10NTU；
        2、以上水质为我公司针对本项目所设定水质；
        3、实际运行水质需根据本项目现场运行状况（如详细的补水水质、系统工况参数等）进行确定。
        1.3 循环冷却水系统常规问题分析
        1.3.1 结垢问题
        在空调循环水系统中，重碳酸盐的浓度随着蒸发浓缩不断增加，当浓度达到饱和状态时，或在经过换热器传热表面使水温升高时，会发生分解反应，生成碳酸盐沉淀。碳酸盐沉积在换热器表面，形成致密的碳酸盐水垢，其导热性能很差，从而降低换热器的传热效率。严重时，使换热器堵塞，系统阻力增大，水泵和冷却塔效率下降，生成能耗增加，产量下降，甚至造成非正式停产。
        1.3.2 腐蚀问题
        在空调循环水系统中，管道、换热器等为金属材质，由于在敞开式系统中水与空气充分接触，水中溶解的O2可达到饱和状态，当金属与溶解有氧气的冷却水接触时，由于金属表面的不均一性和冷却水的导电性，在碳钢表面形成许多腐蚀微电池，微电池的阳极区和阴极区分别发生氧化反应和还原反应。
        在水中一些有害离子如CL-和SO42-离子浓度增高时，会加速金属材料的腐蚀。CL-和SO42-会使金属上的保护膜的保护性能降低，尤其是CL-半径小，穿透性强，容易穿过膜层置换氧原子形成氯化物，加速阳极过程的进行，使腐蚀加速。
        在不进行水处理的情况下，碳钢的腐蚀率为1.5mm/a；使用水处理技术后可达到：碳钢的腐蚀率≤0.075mm/a；铜的腐蚀率≤0.005 mm/a（国标）。据调查，空调设备费用约占整个项目投资的1/10左右，因此进行空调水处理，对延长设备的使用年限、减少支出、减少设备的维修费用是相当重要的。
        1.3.3菌藻滋生问题
        微生物在冷却水系统中的大量繁殖，会使冷却水颜色变黑，发生恶臭，污染环境。同时，会形成大量黏泥使冷却塔的冷却效率降低，黏泥沉积在换热器内，使传热效率迅速降低和水压损失增加，沉积在金属表面的黏泥会引起严重的垢下腐蚀，同时它还隔绝了缓蚀阻垢剂对金属的作用，使药剂不能发挥应有的缓蚀阻垢效能。所有这些问题导致冷却水系统不能长期安全运转，影响生产，造成严重的经济损失。因此，微生物的危害与水垢、腐蚀对冷却水系统的危害是一样的严重。
        1.3.4浓缩倍数控制不稳定
        浓缩倍数是指在循环冷却水中，由于蒸发而浓缩的溶解固体与补充水中溶解固体的比值，或指补充水流量与排污水流量的比值。在实际测量中，通常为循环冷却水的电导率值与补充水的电导率之比。冷却水在冷却塔内与空气进行接触换热，冷却水主要换热方式为蒸发换热和接触换热，其中蒸发换热占85%以上，因此冷却水在冷却塔内不断蒸发，造成水中阴阳离子不断浓缩。
        循环冷却水系统运行过程中，浓缩倍数是判断系统是否处于正常稳定运行的一个重要指标，也是水处理控制的重要指标。因水质变化无法直观判断，因此水处理一般采用人工水质化验或在线监测仪表来了解水质的变化范围及控制程度。
        1.3.5 悬浮物引起的问题
        冷却水在空气逆向进行换热过程中，将空气中的尘埃、杂质等洗涤下来，进入系统中，造成水中悬浮物含量不断增加；同时，悬浮在水中的杂质、腐蚀产物、碱度垢等在微生物生长繁殖中分泌出的粘性物质作用下，黏连聚集，形成污垢，沉积在系统内，从而降低传热效率，严重时，使换热器堵塞，系统阻力增大，水泵和冷却塔效率下降，生产能耗增加，产量下降，甚至造成非正常停产。
        1.4 循环冷冻水/采暖季空调热水系统常规问题分析
        1.4.1 闭式循环水系统的水质情况：
        此类循环水系统由于给水一般是市政水经过了深度处理后的，水质比较纯净，并且闭式系统中没有沸腾和蒸发的过程，因此一般不会发生盐类因浓缩从水中析出而形成沉积物的情况。系统运行过程中可能发生的危害主要是管道和金属的严重腐蚀问题。
        1.4.2 闭式循环水系统的腐蚀机理：
        系统主要是由于系统管网与水中的氧气反应，生成Fe2O3腐蚀产物，导致系统中的杂质不断增多，使水的色度、浊度不断升高，以致造成水的二次污染。产生黄锈水现象，加速管网的腐蚀。同时，系统中金属设备和管件与循环水中的杂质会发生一系列的电化学反应，导致金属表面发生质变，甚至功能遭到破坏。这些反应，促使微电池中阳极区的金属不断溶解而被腐蚀。随着腐蚀的程度加深，更会导致设备管壁腐蚀穿孔，会造成系统、设备渗漏，影响安全生产，造成经济损失。
        水中溶解的氧，是造成密闭系统腐蚀的主要原因之一。它们是在金属壁表面上，形成许多小的鼓包，其直径为1~20毫米。鼓包表面的颜色由黄褐色到砖红色，次层是黑色粉末，把这些腐蚀物清除后，金属表面出现腐蚀陷坑，这种腐蚀称为溃疡性腐蚀。
        因此，此类系统的腐蚀也是需要解决的重大问题。
        2.加药装置的选型
        2.1、空调循环水的阻垢及灭菌处理方案：
        2.1.1 空调循环水处理方法简介：
        A）高频电场、离子棒、磁化等处理方法，存在争议，尚无定论；
        B）加水质稳定剂（加药）：公认比较可靠的方法。
        C）软化处理：适合大部分水质，但投资大，且仍需添加防腐剂和杀菌剂。
        2.2、水质稳定剂组成和作用
        A）阻垢物质：提高矿物质沉淀的浓度；或使矿物质晶体结构畸形，悬浮水中而不结垢在管路上。
        B）防腐物质：在管路材料表面形成钝化膜，或改变材料电位，阻止金属材料腐蚀。
        C）杀菌物质：破坏微生物结构，阻止其繁殖或直接杀灭藻类、霉菌、细菌。又叫杀生剂。
        D）阻垢物质和防腐物质经常混合在一起，称为防腐阻垢剂。
        E）杀菌物质也称杀生剂，一般不太稳定，适合单独、低温存放。
        通过加药方法，使水中结垢型离子稳定在水中，其原理是通过整合、络合和吸附分散作用，使Ca2+、Mg2+稳定地溶于水中，并对氧化铁、二氧化硅等胶体也有良好的分散作用，本法是目前空调水处理使用最为普遍的一种方法，也是在工业循环水处理中应用面最广、技术最成熟的一种方法，实践证明是有效而经济的方法。
        空调循环水处理即水质稳定处理，通过向循环水中投加水质稳定剂的形式解决系统结垢、腐蚀及菌藻滋生问题。
        2.3、空调循环水的阻垢及灭菌处理设备：
        2.3.1 在中国，目前95%的空调循环水系统未设自动加药装置，只靠人工投药，仍可能导致铜管结垢，冷量下降，并造成铜管腐蚀，滋生病菌。而结垢后委托他人进行化学除垢又极易造成铜管腐蚀伤害。在欧美，99%的系统均设置了自动加药装置。远大于吸取欧美经验，开发了智能型水处理装置，即全自动加药装置和全自动软水器。
        2.3.2、全自动加药装置工作原理：
        跟踪运行工况，自动测量水质变化，并自动精确投加阻垢防腐剂和杀菌剂。阻垢防腐剂可能高冷却循环水浓度4倍，降低铜、钢铁腐蚀速度95%，杀菌剂可消灭微生物99%以上。从而有效延长主机使用寿命、持续保持主机能源效率、最大限度降低耗水量。
        2.3.3、全自动加药装置独具特点：
        A）由流量检测、排放、加药剂控制组成，精简、稳定；
        B）能自成一体运行，也可与中央空调主机联动运行；
        C）跟踪中央空调冷却水系统运行工况，特别节约药剂；
        D）持续检测、实时调节，最大限度减少耗水量；
        E）预防主机能源效率降低，延长主机使用年限；
        F）智能控制、安全可靠、安装简单、使用方便。
        全自动加药装置是是一种具投药、搅拌、输送液体、自动控制与一体的成套设备，他被广泛应用于电厂的原水、锅炉给水、油田地面集输脱水处理系统，石油化工各种加药系统和废水处理系统。
        2.4、空调循环冷却水的“总硬度”自动监测、处理系统。
        2.4.1 原理：
        采用特制传感器将水中的钙离子含量（硬度）转变为电信号，通过微机处理，数字显示水中钙离子含量（mv数）。检测时每次分别检测待测水和标准水（按用户要求的水质标准配制），并将其结果进行比较，超标自动报警，同时控制空调循环冷却水的自动排水，使冷却水的浓缩倍数和总硬度保持在一个适度的范围。全过程程序控制，自动操作。
        2.4.2特点：
        A）特制传感器，采用进口材料，灵敏度高，稳定性好，使用寿命长。
        B）检测时检测待测水和标准水，并将其结果比较，误差小。
        C）采用程序控制、微机处理，自动化程度高，可无人值守，代替人工化验水质。
        D）中央空调冷却水的自动排水、补水采用硬度控制而不是采用时间、流量控制，科学、准确，可大大节省水源消耗，降低下水污染。
        2.5、全自动加药装置在某食品厂空调水系统中的应用：
        从2020年04月01号运行以来，技术人员对水质每天进行了化验，现将结果汇报如下表：

        从以上数据我们得出结论，冷却水自动加药装置运行正常，可投入使用。
        3总结
        通过一段时间的实践得知，“全自动加药装置”是解决开式、闭式循环水系统在运行过程中存在的结垢、腐蚀、菌藻及水质等问题，并同时有效控制系统浓缩倍数、指导系统排污和补水的综合综合性化学水处理系统。通过设定的智能程序控制，实现了系统运行的节能减排。
        参考文献
        [1] GB50050—2007 工业循环冷却水处理设计[S]
        [2] 赵荣义 .简明空调设计手册[M] 北京：Z中国建筑工业出版社，1998
        [3] GB/T29044-2012 采暖空调系统水质标准 [S]