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作者：顧毅康 劉能杰
【編者按】
在現(xiàn)代化工廠里，大部分專業(yè)早已實現(xiàn)自動化管控，但唯獨循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為火電廠、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、人工控制階段。各級管理人員似乎也習(xí)慣于這種低效的工藝管控。作為用水大戶，節(jié)水、節(jié)能、高效等流行的詞語好像距離我們很是遙遠(yuǎn)。
“智能加藥”、“智能控制”、“大數(shù)據(jù)”等新興詞語爆炸性的傳播開來之時，許多人還是疑問，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)，選取真實案例，來說明智能化時代到來后，水云蹤智能控制系統(tǒng)可以在經(jīng)濟效益、社會效益方面所做出的貢獻(xiàn)，為各級管理人員提供真實素材，為管理、操作人員全面認(rèn)識水云蹤、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100萬千瓦火電機組，系統(tǒng)保有水量約3萬立方米，循環(huán)水量每小時11萬立方米/小時。補水為地表水和回用水，電導(dǎo)率920-1000uS/cm范圍有浮動。
方案設(shè)計：設(shè)計濃縮倍數(shù)4倍，根據(jù)現(xiàn)場月度水量，結(jié)合理論計算核實，確定平均補水量約為1600噸/小時。采用含有熒光聚合物的無磷緩蝕阻垢劑，設(shè)計加藥濃度為36ppm，加藥量每天約300千克。
現(xiàn)場管理：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目測，有時多點，有時少點。系統(tǒng)補水和排污連續(xù)進(jìn)行。
現(xiàn)場監(jiān)控：2019年6月，現(xiàn)場安裝了水云蹤設(shè)備，對循環(huán)水的水質(zhì)與熒光聚合物藥劑濃度進(jìn)行實時在線監(jiān)測。水云蹤設(shè)備并未進(jìn)行加藥自動控制，目的是先行了解人工加藥模式下的效果，以便與自動化加藥的效果進(jìn)行比對。
【現(xiàn)象】
從水云蹤在線數(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，分析對于處理成效與處理成本的影響，并探討改進(jìn)的機會。
圖1. 藥劑濃度與電導(dǎo)率趨勢
【討論】
問題的成因
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。其中7月2日之前相對平穩(wěn)，大致在3.3倍。從這個角度來分析，系統(tǒng)并沒有嚴(yán)格按設(shè)計的濃縮倍數(shù)和藥劑濃度來進(jìn)行控制。
經(jīng)與現(xiàn)場確認(rèn)，7月4日投加了3噸非氧化性殺菌劑。用戶對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。具體非氧加藥時間，客戶根據(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，一般會有2~3天的不排污階段。
對比藥劑濃度與系統(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，完全沒有根據(jù)藥劑濃度來調(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)計濃度36ppm以上不斷攀升，但現(xiàn)場并沒有停止加藥，在此期間的藥劑投加是完全可以節(jié)省下來。
圖2. 藥劑濃度/電導(dǎo)率變化趨勢與現(xiàn)場管理事件的關(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)來看，在線數(shù)據(jù)信息量大，檢測精度優(yōu)于0.1ppm，可以發(fā)現(xiàn)人工取樣很難觀察到的問題。
圖3.加藥過程的細(xì)節(jié)圖
以保有水量30000噸來計算，
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）
可見人工加藥的隨意性很大，投加量并沒有工程依據(jù)。同時，由于在線監(jiān)測數(shù)據(jù)讓現(xiàn)場工人操作的結(jié)果在監(jiān)控之下進(jìn)行，向用戶提供了定量化、可追溯、不可篡改的數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)管理的精細(xì)化，提供了有效的技術(shù)保證。
【經(jīng)濟性分析】
根據(jù)循環(huán)冷卻水的平衡計算，
蒸發(fā)量 = 循環(huán)量 x Cp x △t / r
排污 = 蒸發(fā)量 / (N -1)
補水 = 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)
簡化計算考慮，忽略風(fēng)吹損失
已知4倍濃縮倍數(shù)時，補水量為1600噸/小時，
則根據(jù)補水 = 蒸發(fā)量 x N
= 110000 x 4.187 x △t / 2401
= 1600 （噸/小時）
△t = 6.255 ℃
此時，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）
排污量= 蒸發(fā)量 / (N -1)
= 1200 /（4-1）
= 400（噸/小時）
藥劑投加量 = 補水 x 設(shè)計濃度 / N / 1000 x 24
= 1600 x 36 / 4 /1000 x 24
= 346 (千克/天)
經(jīng)統(tǒng)計，現(xiàn)場平均濃縮倍數(shù)為3.4，平均藥劑濃度為41.4ppm。
實際排水量 = 蒸發(fā)量 x (N-1)
= 1200 / 2.4
= 500（噸/小時）
實際消耗藥劑 = 實際排水量 x 實際藥劑濃度 / 1000 x 24
= 500 x 41.4 / 1000 x 24
= 497（千克/天）
可見，由于濃縮倍數(shù)與藥劑濃度控制不良，此現(xiàn)場每天要多消耗2400噸補充水，多排污2400噸，多消耗151千克/天的藥劑。如通過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)計可以達(dá)成以下經(jīng)濟效益。
【結(jié)論】
用戶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，沒有按水處理設(shè)計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。現(xiàn)場節(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。
通過現(xiàn)場實施水云蹤服務(wù)，可實現(xiàn)在線藥劑濃度監(jiān)測與智能加藥并控制自動排污，預(yù)計可減少補水和排污各2400噸/天，減少藥劑消耗151千克/天；按照每年運行200天計算，預(yù)計可節(jié)省費用82.3萬元/年。以“水云蹤200”的年度服務(wù)成本7萬元計算，用戶僅從節(jié)水與節(jié)藥劑角度，就可產(chǎn)生獲得12倍的回報。
在實施水云蹤智能水處理服務(wù)的前期，進(jìn)行一個月左右的“只監(jiān)不控”會非常有益。可以摸清家底，讓用戶充分了解原有加藥方式的效果，并用于與自動加藥進(jìn)行比對。
水云蹤系統(tǒng)為現(xiàn)場的精細(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了。下一階段切換到自動控制后，再次以實際數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。
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