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作者：顧毅康 劉能杰
【編者按】
在現(xiàn)代化工廠(chǎng)里，大部分專(zhuān)業(yè)早已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管控，但唯獨(dú)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為火電廠(chǎng)、石油化工、煤化工等重工業(yè)必不可少的工藝組成部分，還是停留在人工加藥、人工化驗(yàn)、人工控制階段。各級(jí)管理人員似乎也習(xí)慣于這種低效的工藝管控。作為用水大戶(hù)，節(jié)水、節(jié)能、高效等流行的詞語(yǔ)好像距離我們很是遙遠(yuǎn)。
“智能加藥”、“智能控制”、“大數(shù)據(jù)”等新興詞語(yǔ)爆炸性的傳播開(kāi)來(lái)之時(shí)，許多人還是疑問(wèn)，先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)到底能為我們循環(huán)冷卻水管理做些什么？
本板塊將從安全、節(jié)能、管理等多視角出發(fā)，選取真實(shí)案例，來(lái)說(shuō)明智能化時(shí)代到來(lái)后，水云蹤智能控制系統(tǒng)可以在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益方面所做出的貢獻(xiàn)，為各級(jí)管理人員提供真實(shí)素材，為管理、操作人員全面認(rèn)識(shí)水云蹤、用好水云蹤積累第一手資料。
【背景介紹】
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：位于華東的某100萬(wàn)千瓦火電機(jī)組，系統(tǒng)保有水量約3萬(wàn)立方米，循環(huán)水量每小時(shí)11萬(wàn)立方米/小時(shí)。補(bǔ)水為地表水和回用水，電導(dǎo)率920-1000uS/cm范圍有浮動(dòng)。
方案設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)濃縮倍數(shù)4倍，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)月度水量，結(jié)合理論計(jì)算核實(shí)，確定平均補(bǔ)水量約為1600噸/小時(shí)。采用含有熒光聚合物的無(wú)磷緩蝕阻垢劑，設(shè)計(jì)加藥濃度為36ppm，加藥量每天約300千克。
現(xiàn)場(chǎng)管理：加藥工是外包的，每天三次進(jìn)行人工加藥。藥劑投加量是靠加藥時(shí)目測(cè)，有時(shí)多點(diǎn)，有時(shí)少點(diǎn)。系統(tǒng)補(bǔ)水和排污連續(xù)進(jìn)行。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控：2019年6月，現(xiàn)場(chǎng)安裝了水云蹤設(shè)備，對(duì)循環(huán)水的水質(zhì)與熒光聚合物藥劑濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。水云蹤設(shè)備并未進(jìn)行加藥自動(dòng)控制，目的是先行了解人工加藥模式下的效果，以便與自動(dòng)化加藥的效果進(jìn)行比對(duì)。
【現(xiàn)象】
從水云蹤在線(xiàn)數(shù)據(jù)觀察，6月27日到7月14日期間，藥劑濃度基本都在36ppm以上，甚至有爬升到60ppm的現(xiàn)象。需要進(jìn)行探索現(xiàn)象背后的原因，分析對(duì)于處理成效與處理成本的影響，并探討改進(jìn)的機(jī)會(huì)。
圖1. 藥劑濃度與電導(dǎo)率趨勢(shì)
【討論】
問(wèn)題的成因
在此期間，循環(huán)水電導(dǎo)率為最高為3970uS/cm，而最低僅為2600 uS/cm。如取補(bǔ)水平均電導(dǎo)率為960 uS/cm，則相應(yīng)的濃縮倍數(shù)在2.7~4.1之間波動(dòng)。其中7月2日之前相對(duì)平穩(wěn)，大致在3.3倍。從這個(gè)角度來(lái)分析，系統(tǒng)并沒(méi)有嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的濃縮倍數(shù)和藥劑濃度來(lái)進(jìn)行控制。
經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，7月4日投加了3噸非氧化性殺菌劑。用戶(hù)對(duì)于非氧化性殺菌劑投加的規(guī)定：夏季一月兩次左右，冬季不加。具體非氧加藥時(shí)間，客戶(hù)根據(jù)菌藻的發(fā)展?fàn)顩r以及生產(chǎn)安排。在加非氧化殺菌劑后，一般會(huì)有2~3天的不排污階段。
對(duì)比藥劑濃度與系統(tǒng)電導(dǎo)率的關(guān)系，呈現(xiàn)出高度的相關(guān)性，顯示系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)是藥劑濃度的主導(dǎo)影響，也顯示了在目前的人工加藥方式下，完全沒(méi)有根據(jù)藥劑濃度來(lái)調(diào)整每次的加藥量。在投加非氧化性殺菌性并停止排污之后，藥劑濃度在設(shè)計(jì)濃度36ppm以上不斷攀升，但現(xiàn)場(chǎng)并沒(méi)有停止加藥，在此期間的藥劑投加是完全可以節(jié)省下來(lái)。
圖2. 藥劑濃度/電導(dǎo)率變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)管理事件的關(guān)系
加藥濃度的控制
以7月12日的詳細(xì)數(shù)據(jù)為例，在當(dāng)天7:30加藥后，藥劑濃度從29ppm上升到了36.4ppm，而18:00加藥后，藥劑濃度從32ppm上升到了33ppm。從數(shù)據(jù)來(lái)看，在線(xiàn)數(shù)據(jù)信息量大，檢測(cè)精度優(yōu)于0.1ppm，可以發(fā)現(xiàn)人工取樣很難觀察到的問(wèn)題。
圖3.加藥過(guò)程的細(xì)節(jié)圖
以保有水量30000噸來(lái)計(jì)算，
07:30 加藥量 = (36.4-29) x 30000 / 1000
= 222（千克）
18:00 加藥量 = (33-32) x 30000 / 1000
= 30 （千克）
可見(jiàn)人工加藥的隨意性很大，投加量并沒(méi)有工程依據(jù)。同時(shí)，由于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讓現(xiàn)場(chǎng)工人操作的結(jié)果在監(jiān)控之下進(jìn)行，向用戶(hù)提供了定量化、可追溯、不可篡改的數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)管理的精細(xì)化，提供了有效的技術(shù)保證。
【經(jīng)濟(jì)性分析】
根據(jù)循環(huán)冷卻水的平衡計(jì)算，
蒸發(fā)量 = 循環(huán)量 x Cp x △t / r
排污 = 蒸發(fā)量 / (N -1)
補(bǔ)水 = 蒸發(fā)量 + 排污 = 蒸發(fā)量 x N
其中 Cp 為水的熱容，4.187 KJ/(Kg*℃）
△t 為水的進(jìn)口溫度與出口溫度之差，℃
R 為水的蒸發(fā)潛熱，2401KJ/Kg.
N 為濃縮倍數(shù)
簡(jiǎn)化計(jì)算考慮，忽略風(fēng)吹損失
已知4倍濃縮倍數(shù)時(shí)，補(bǔ)水量為1600噸/小時(shí)，
則根據(jù)補(bǔ)水 = 蒸發(fā)量 x N
= 110000 x 4.187 x △t / 2401
= 1600 （噸/小時(shí)）
△t = 6.255 ℃
此時(shí)，蒸發(fā)量 = 循環(huán)量 x Cp x △t / r
= 110000 x 4.187 x 6.255 / 2401
= 1200 （噸/小時(shí)）
排污量= 蒸發(fā)量 / (N -1)
= 1200 /（4-1）
= 400（噸/小時(shí)）
藥劑投加量 = 補(bǔ)水 x 設(shè)計(jì)濃度 / N / 1000 x 24
= 1600 x 36 / 4 /1000 x 24
= 346 (千克/天)
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)平均濃縮倍數(shù)為3.4，平均藥劑濃度為41.4ppm。
實(shí)際排水量 = 蒸發(fā)量 x (N-1)
= 1200 / 2.4
= 500（噸/小時(shí)）
實(shí)際消耗藥劑 = 實(shí)際排水量 x 實(shí)際藥劑濃度 / 1000 x 24
= 500 x 41.4 / 1000 x 24
= 497（千克/天）
可見(jiàn)，由于濃縮倍數(shù)與藥劑濃度控制不良，此現(xiàn)場(chǎng)每天要多消耗2400噸補(bǔ)充水，多排污2400噸，多消耗151千克/天的藥劑。如通過(guò)水云蹤的智能控制系統(tǒng)，能把濃縮倍數(shù)精確控制到4.0倍，把藥劑濃度精確控制在36 ppm，預(yù)計(jì)可以達(dá)成以下經(jīng)濟(jì)效益。
【結(jié)論】
用戶(hù)目前的管理方式粗放，只考核月度總消耗量。每天三次加藥量靠外包加藥工目測(cè)，沒(méi)有按水處理設(shè)計(jì)方案的要求控制加藥量，即使在停止排污后，依然持續(xù)每日加藥?，F(xiàn)場(chǎng)節(jié)省藥劑的空間很大。
濃縮倍數(shù)的控制靠人工進(jìn)行，也比較粗放，有顯著的節(jié)水空間。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施水云蹤服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)藥劑濃度監(jiān)測(cè)與智能加藥并控制自動(dòng)排污，預(yù)計(jì)可減少補(bǔ)水和排污各2400噸/天，減少藥劑消耗151千克/天；按照每年運(yùn)行200天計(jì)算，預(yù)計(jì)可節(jié)省費(fèi)用82.3萬(wàn)元/年。以“水云蹤200”的年度服務(wù)成本7萬(wàn)元計(jì)算，用戶(hù)僅從節(jié)水與節(jié)藥劑角度，就可產(chǎn)生獲得12倍的回報(bào)。
在實(shí)施水云蹤智能水處理服務(wù)的前期，進(jìn)行一個(gè)月左右的“只監(jiān)不控”會(huì)非常有益?？梢悦寮业?，讓用戶(hù)充分了解原有加藥方式的效果，并用于與自動(dòng)加藥進(jìn)行比對(duì)。
水云蹤系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)的精細(xì)化管理提供了有效的技術(shù)保障，在監(jiān)控模式下人工加藥操作的弊端就暴露出來(lái)了。下一階段切換到自動(dòng)控制后，再次以實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。
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