专利名称：一种循环冷却水水质监控系统及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于自动化及环境保护领域，特别涉及一种循环冷却水水质监控系统及设备。
背景技术：
冷却水系统的结垢和腐蚀是冷换设备损坏和效率降低的主要危害之一。工业循环冷却水在不断循环使用过程中，由于水温、流速的变化，水的蒸发损失，各种无机和有机物质的浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光的照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入以及设备结构和材料等多种原因的综合作用，会产生严重的沉积物附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生。它们会破坏循环冷却设备的工艺性能，损坏设备，威胁工厂长周期的安全生产，造成严重的经济损失。
通过对循环冷却水水质进行监控是解决上述问题的有效途径之一。但目前在国内，对循环冷却水的在线监测多局限于电导率或对某一单一离子的监测，对腐蚀情况的反应难以全面，对结垢的预测能力也很有限；在对水质的控制上还存在很大问题，尤其是对加药系统的控制，无论是加药量还是加药时间的确定都无法实现精确和自动化。这样做的弊端是显而易见的由于所加药剂是强酸强碱，盲目地加药对管道的损害很大，且造成循环水pH值等水质参数的剧烈波动，在开放系统中这种损害的效应更为明显。目前，国内虽有少数企业建立了循环水质自动监测系统，但控制参数较少，且对循环水主要的结垢和腐蚀动态监测与控制尚未实现，大部分工作仍需人工参与。
发明内容
本发明为解决设备的结垢和腐蚀问题，实现水质的在线监测以及控制过程自动化开发出了一种循环冷却水水质在线监控系统，以循环冷却水的pH值、电导率、硬度、Cl-浓度、Fe2+浓度和冷却水的温度、流量等参数作为设备结垢和腐蚀情况及其趋势的主要判定依据，通过对相关参数的调整达到防止或减缓设备结垢和腐蚀的目的。
一种循环冷却水水质在线监控系统，其特征在于该系统以PLC可编程控制器为核心，另设九个单元，即pH在线监测单元、电导率在线监测单元、流速在线监测单元、硬度在线监测单元、腐蚀电阻在线监测单元、氯离子浓度在线监测单元、比例加药自控单元、补水自控单元、自动排污控制单元。可实现加药过程的自动控制、浓缩水的自动排放和新水的自动补充。
pH在线监测单元加酸控制的稳定性是化学水处理的成败关键。加酸处理方案中以计算酸的最大日用量，设置了酸缓冲罐。即使发生意外，缓冲罐中酸全部进入系统中，也不会带来致命危害。
设计中采用自动加酸和人工加酸两种方式，当自动加酸出现故障或需维护时，采用人工加酸。自动加酸装置在控制中心终端上可设定pH值的最大值pHmax和最小值pHmin，当复合电极中的pH探头反映到pH大于pHmax时，循环水系统倾向于结垢，控制系统发出信号开启加酸泵；当pH不足pHmin时，循环水系统倾向于腐蚀，控制系统发出信号关闭加酸泵停止加酸。
加酸点的选择，应选择能很快把酸稀释均匀的地方，所以加酸点选在冷水池中回水的地方，并尽量远离泵的吸入口。
加酸量的选择可由PLC根据公式自动算出。
自动排污控制单元由电导率控制，电导率的上限在控制中心终端设定，当测得的值超出上限时，PLC输出报警信号，并在控制中心终端显示。当浓缩倍率上升时，电导率也随之上升，但并不成比例，浓缩倍率上升1倍时，电导率上升的比例在0.9～1.0之间。并且循环水温度比较稳定，所以对电导率影响并不大。根据监测氯根等项目测出浓缩倍率为3时，所对应的电导率即为控制电导率。控制电导率加上原来电导率的10％即为电导率的控制上下限。根据电导率在线监测值输出的信号由电磁气动阀自动控制排污。排污点选择在换热器的回水处。排污量根据探测仪返回的参数由系统自动得出。
比例加药自控单元采用了自动化装置，以保证了排污的连续性，考虑到在线监测设备的经济和稳定性，采用计量泵往循环水里自动补药。药量控制设定好当前各种药剂的主要成分和浓度后，监控软件根据各探头返回的数据自动计算加药量。
补水自动控制单元系统根据冷水池液位计所指示的数值，控制带有控制头的正压水表的停启，从而实现自动补水。
流速在线监测自控单元在换热器上装有流速探测仪。当流速低于下限时，PLC会输出报警信号，并在控制中心终端显示。各换热器的流速下限都可在控制中心终端设定。
氯离子浓度在线监测单元除去复合电极中对Cl-离子的检测外，在换热器上各装有Cl-浓度监测仪。当换热器Cl-浓度高于上限时PLC会输出报警信号，并在控制中心终端显示。各换热器的Cl-浓度上限均可在控制中心终端设定。
控制中心终端与PLC完成对全部监测数据的处理并根据处理结果控制所有自控设备。工业循环水经过冷却塔进入冷水池，由冷水池进入缓冲池。在缓冲池安装复合电极监测设备，用以测定循环水的pH值、电导率、氯离子浓度、硬度及亚铁离子浓度等。各种测得的参数通过通信线路返回控制中心，经过PLC处理后输入控制终端。自动监控软件根据各种参数值，启动相应的加药，补水，加酸，排污等自控设备，从而完成水质的在线自动监测与控制。
控制依据首先确定需要考察的几个参数，由动态试验得出维持水质基本稳定时它们相互作用时水质变化的规律，划分出针对水质体系的腐蚀区、动态稳定区和结垢区，根据该水质图和相关的数学模型，通过控制系统对加药系统、排水系统和补水系统进行控制。
根据原始数据及水质分析的结果推算出工况温度和浓缩倍率时代表结垢和腐蚀倾向的三种指数雷兹纳稳定指数、朗格利尔饱和指数和结垢指数。
各指数及饱和pH值计算如下首先计算饱和pH值pHS＝(9.70+A+B)-(C+D)其中A代表总溶解固体系数，B代表温度系数，C代表钙硬度系数，D代表总碱度系数，根据水质全分析数据，可以从相关表格中查找。以下指标中的pH值为循环水在运行温度下的实际pH值。
郎格利尔指数(饱和指数)Is＝pH-pHS雷兹纳稳定指数S＝2pHS-pH结垢指数PSI＝2pHS-pHeq其中，pHeq＝1.4651gM+4.54，M为总碱度表1水质指数判断
PLC控制系统1、采集数据控制复合电极对水质参数自动采集，记录数据并将数据送入专家系统。
2、数据分析计算Cl-浓缩倍率N；N＝[Cl-]循环水/[Cl-]补充水根据公式计算雷兹纳稳定指数、朗格利尔饱和指数和结垢指数；根据指数分析给出水质状态，计算排污量和补水量并得出现场需做出的反应。
3、对现场控制由pH值、腐蚀电阻值结合指数指标控制加药系统的加酸泵、加药泵开关连续加药；由电导率结合浓缩倍率及指数指标控制自动排污系统的电磁气动阀的开关；由液位计控制自动补水系统的电磁气动阀的开关，自动补水系统和自动排污系统均为连续运行。
为实时采样，获取监控数据，本发明采用了自行设计的多参数直插式水质在线监测复合电极设备，本设备包括1、聚四氟护套 2、电极测量部分—陶瓷内心 3、不锈钢套管 4、数据传输接口 5、安装卡槽。安装方式探头直接安装在工艺管线上，240℃安装形式为带压可拆卸安装，240℃以上可采用法兰式连接。不锈钢套管耐蚀耐水流冲击耐碰撞；可拆卸聚四氟护套可保护电极敏感元件免受异物碰撞伤害，便于清洗，护套上有孔洞以保证液体流通；陶瓷内芯强度大，可对敏感元件起到足够的保护作用。
本设备应用电化学原理对水质情况进行监测控制，其基本原理是根据金属在水溶液中的腐蚀结垢倾向与介质的活度、活度系数有密切的关系。
根据热力学原理，腐蚀电池电动势的产生是体系发生腐蚀的动力。溶液中腐蚀电池的电动势等于阳极反应(即金属的腐蚀反应)的电位和阴极反应的电位的代数和。从热力学角度对体系腐蚀倾向的判断可运用电化学原理中的能斯特(Nernst)方程，见式(1) 它反映了腐蚀电池的电动势受腐蚀电池中反应物和产物的活度的影响的关系(在浓度足够低时可用浓度代替活度)。腐蚀电池中反应物和产物浓度的变化可以导致电动势的变化，亦即说，导致了腐蚀倾向的变化。当金属的电极电位低于其本身标准电极电位时金属有腐蚀倾向。故此，控制设备材料的电极电位在合理的指标之内是预防和控制设备腐蚀的有效手段。
研究表明，对大多数金属来说(尤其是铁)Cl-的存在是降低其电极电位的关键性因素，在某一体系中容许存在的Cl-的浓度有一定范围，超出将导致腐蚀。在循环水系统中，Cl-浓度又是考察浓缩倍率的技术参数之一；介质电导率、pH值、硬度等参数变化反映了水质腐蚀和结垢倾向的变化；腐蚀电阻反映了腐蚀倾向和腐蚀速度大小等等。监测这些相关参数的在线变化可以及时了解到水质的腐蚀结垢倾向。也为将各参数控制在安全范围之内提供了保障，使生产可以连续、安全的进行，进而减少浓缩水排出对环境的压力。
应当指出的是，不同的循环水设备应考察的参数不尽相同，应根据具体情况选择监控参数制定具体的监测计划。
本发明优点是1、节约补充水并可减少污水排放量。循环系统的稳定运行可有效控制水质满足工艺要求，对补水系统的自动控制减少了人工控制时系统严重缺水和补水过多的情况。循环水排出的浓水处理困难成本高，排污水的减少减轻了对环境的压力也降低了工厂的污水处理量，有很好的经济效益；2、节约药剂。对水质及补水系统、排污系统合理而有效的控制避免了人工控制时盲目加药的情况，使加药量和加药时间趋于合理，在保证水质的情况下可显著减少药剂用量；3、可大大提高pH值、浓缩倍率、硬度、Cl-浓度等工艺指标的合格率。自动在线监测和自动控制的实现可大大减少人工监测控制时产生系统误差和人为误差，为水质稳定提供了可靠的基础，可以较好的保证指标监测和控制的合理、合格。
4、提高了循环冷却水水质和控制的自动化程度。
多参数水质在线监测复合电极是将多种探头组成一体化的水质参数探测器，对循环冷却水中的pH值、电导率、硬度、Cl-浓度、Fe2+浓度和冷却水的温度、流量等参数实施全面的实时在线监测，根据有关水质参数的数值和变化趋势，由所建立的数据分析系统判断循环冷却设备的腐蚀结垢倾向，得出药剂的加入量和加入时间，通过以PLC为中心的智能化控制系统实现加药过程的自动控制、浓缩水的自动排放和新水的自动补充。
图1为现场法兰连接示意图。
图2为多参数直插式水质在线监测复合电极结构示意图。
1.聚四氟护套 2.电极测量部分—陶瓷内心 3.不锈钢套管4.数据传输接口5.安装卡槽图3为循环冷却水水质在线监控系统工作流程示意图。
11.缓蚀阻垢剂 12.酸 13.人工加药装置 14.人工加酸装置 15.计量泵 16.冷却塔17.冷水池 18.带有控制头的正压水表 19.补充水、20.自动排污 21.PLC 22.终端23.缓冲池 24.复合电极 25.数据采集器 26.分水池 27.流速计 28.换热器
具体实施例方式电极探头直接安装在工艺管线上，或采用法兰式连接。规格不锈钢套管φ25×100mm聚四氟护套φ25×25mm陶瓷内芯φ20×120mm测量敏感元件举例
表2测量敏感元件举例
注另外可根据具体的循环水系统对监测参数进行删减和增补说明电极每4～5个月需清洗一次。
特点1.多种参数pH、电导率、硬度、Cl-浓度、腐蚀电阻等可同时采集同时送检分析，便于及时全面地了解水质腐蚀结垢倾向；2.需要时电极内部各电极可单独拆卸更换，以适应不同的现场情况；适当的清洗处理后可继续使用；3.耐蚀性强，强度精度都可满足工业在线测量的要求；4.具有温度补偿功能，适用于中、常温测量。
权利要求
1.一种循环冷却水水质在线监控系统，其特征在于该系统以PLC可编程控制器为核心，另设九个单元，即pH在线监测单元、电导率在线监测单元、流速在线监测单元、硬度在线监测单元、腐蚀电阻在线监测单元、氯离子浓度在线监测单元、比例加药自控单元、补水自控单元、自动排污控制单元。
2.如权利要求1所述的冷却水水质在线监控系统，其特征在于pH在线监测单元设计中采用自动加酸和人工加酸两种方式，自动加酸装置在控制中心终端上可设定pH值的最大值pHmax和最小值pHmin，当pH探头反映到pH大于pHmax时，循环水系统易于结垢，pH控制仪发出信号开启加酸泵；当pH不足pHmin时，循环水系统易于腐蚀，pH控制仪发出信号关闭加酸泵停止加酸。
3.如权利要求1或2所述的冷却水水质在线监控系统，其特征在于自动排污控制单元由电导率控制，电导率的上限在控制中心终端设定，当测得的值超出上限时，PLC输出报警信号，并在控制中心终端显示，根据监测Cl-等项目测出浓缩倍率为3时，所对应的电导率即为控制电导率，控制电导率加上原来电导率的10％即为电导率的控制上下限。
4.如权利要求1或2或3所述的冷却水水质在线监控系统，其特征在于比例加药自控单元采用计量泵往循环水里自动补药，设定好当前各种药剂的主要成分和浓度后，监控软件根据各探头返回的数据自动计算加药量。
5.如权利要求1或2或3或4所述的冷却水水质在线监控系统，其特征在于补水自动控制单元系统根据冷水池液位计所指示的数值，控制带有控制头的正压水表的停启，从而实现自动补水；流速在线监测单元在换热器上装有流速探测仪，当流速低于下限时，PLC会输出报警信号，并在控制中心终端显示；Cl-浓度在线监测单元在换热器上各装有Cl-浓度监测仪，当换热器Cl-浓度高于上限时PLC会输出报警信号，并在控制中心终端显示。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的冷却水水质在线监控系统，其特征在于现场控制由pH值、腐蚀电阻值结合指数指标控制加药系统的加酸泵、加药泵开关连续加药；由电导率结合浓缩倍率及指数指标控制自动排污系统的电磁气动阀的开关；由液位计控制自动补水系统的电磁气动阀的开关，自动补水系统和自动排污系统均为连续运行。
7.一种用于循环冷却水水质在线监控系统的多参数直插式水质在线监测复合电极设备，其特征在于本设备由(1)、聚四氟护套(2)、电极测量部分--陶瓷内心(3)、不锈钢套管(4)、数据传输接口(5)安装卡槽组成。
全文摘要
本发明属于自动化及环境保护领域，特别涉及一种循环冷却水水质监控系统及设备。其特征在于该系统以PLC可编程控制器为核心，另设九个单元，即pH在线监测单元、电导率在线监测单元、流速在线监测单元、硬度在线监测单元、腐蚀电阻在线监测单元、Cl
文档编号G01N35/00GK1514248SQ03120808
公开日2004年7月21日 申请日期2003年3月20日 优先权日2003年3月20日
发明者郭湛, 汪莉, 陈瑛, 宋存义, 刘建, 张百炼, 刘庭, 韩剑宏, 王龙欣, 孙文亮, 郭 湛 申请人:北京科技大学