循环水水质稳定性判断方法的研究综述
防溺水小口诀-节假日
第3l卷第lO期
2011年10月
V01.31
No.10
Oct.,2011
循环冷却水水质稳定性判断方法的研究综述
高
强t,张凌峰1,李
晨光2,董
超-
(1.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室(天津理工大学),天津30
0384;
2.中石化股份天津分公司,天津300271)
[摘要】腐蚀和结垢是循环冷却水
系统中主要的水质故障,人们常采用水质判断指数来判断循环冷却水水质的
腐蚀和结垢趋势。主要研究了
国内外判断循环冷却水水质稳定性的水质指数,并将其按照基于碳酸钙溶解平衡和基
于多参数分析进行阐
述。最后提出了一种基于数据的智能预测方法。旨在为准确、合理判断水质的腐蚀特性和结垢
特性提供一
个方向和参考。
[关键词】循环冷却水;水质稳定;判断方法;腐蚀;结垢
[中图分类号]06
61【文献标识码]A[文章编号]1005—829X(2011)10-0020-05
on
Review
ofthe
research
the
adjustment<
br>methodforthe
water
qualitystability
of
circulating
cooling
water
Gao
Qian
gI,Zhang
Lin出n91,Li
Chenguan92,Dong
Cha01
(1.Key
Laboratoryfor
theControl
Theor
y&Applications
ofComplicated
System,in
Ti
anjin,Tianjin
Unwers订of.Science&Technology,Tian
jin
300384,China;2.Tianjin
Branch
of
C
hina
Petroleum&Chemical
Corporation,Tianjin<
br>300271,China)
Abstract:Corrosion
and
s
caling
usually
ter
are
themain
wate
r
quality
troubles
in
circulatingcooli
ng
water
systems.People
judge
the
t
endency
ofcorrosionand
scaling
of
circ
ulatingcooling
water
with
water
qualit
y
indexes.The
wa-
ale
quality
index
eswhichusedfor
judging
the
stability
o
f
on
water
quality
of
circulatingco
oling
water
inChinaand
abroadhasbeen
s
tudied,and
elucidatedbased
solubilityequilib
rium
of
calciumcarbonateand
multi-paramet
ers.
on
Atthe
end,the
method
of
intelligentprediction
baseddatais
put
for
ward,so鹊to
provide
an
accurate
and
reason-
able
directionandreferenceforthe
judgment
of
corrosionand
scaling
chara
cteristicsof
water
quality.
Keywords:circ
ulating
coolingwater;stability
of
waterquality;judgment
method;corrosion;scaling
冷却水是大多数工业企业进行生产不可缺少的
工艺条件,据不完全统计,在石油、化工、电力、冶金等系统冷却水占到总工业用水的60%。70%。在水资
源13益紧张的今天.提高工业冷却用水效
率.能有效
降低水资源需求、缓解水资源压力,也符合国家节水
减排的要求。节约用水最有效的
办法则是循环用水。
由于循环冷却水的不断重复利用.造成冷却水
水质恶化.使冷却水系统产生
腐蚀、结垢等水质故
障.严重影响了生产装置的正常运行。造成经济损失
和水资源的浪费.循环
冷却水水质稳定处理工作越
来越重要。要做好循环冷却水的水质处理工作,首先
要判断循环冷却
水水质稳定的程度。人们通常用一
[基金项目】天津市科技创新专项资金项目(05FZZDGX003
00)
些水质判断指数简称水质指数来描述水质的稳定
性。笔者研究了国内外判断水质稳定性的
水质指数.
并对它们的特点和适用情况作了概述.提出了基于
智能预测方法建立腐蚀结垢预测模
型的方向.以期
为准确、合理判断水质的腐蚀特性和结垢特性提供
参考。
1基于碳酸钙
溶解平衡的水质判断指数
我国的天然水以重碳酸盐型为主.在循环冷却
水系统中的结垢问题也以
碳酸钙为主。以Langelier
为代表的大量学者基于碳酸钙的溶解平衡提出了水
质稳定性
的判断指数.为水质特性的定量化研究奠
—20一
万方数据
工业水处理
2011—10,31(10)
定了基础。其中以国外学者提出较多,我国学者针对
水质指数在
实际中的应用也作了大量的研究工作。
现以目前主要的基于碳酸钙溶解平衡的水质判断指
数进行
概述。
1.1
Langelier指数LSI
LsI亦称饱和指数…是1936年La
ngelier根据
碳酸钙溶解度平衡式提出来的。它指的是水的实际
pH与该水在碳酸钙饱和
时的pH之差。它反映碳酸
钙是否会结晶析出.从而以此来判断水的结垢或腐
蚀趋势。其定义如
式(1):
LSI=pH—pHs
(1)
式中:pH——水的实际pH;
pH
s.一碳酸钙处于平衡状态时的pH。
pH。可由计算法、表格法、图像法等算出【2】。一般
推荐按式(2)计算:
pHs=9.3+A+B—C—D
(2)
式中:A——水质溶解
固体系数;
争一温度系数:
c-一硬度系数:
伊一总碱度系数。
上述系数可由
查表得出。水质判断结论:当
LSI>O时,有产生碳酸钙沉积的倾向;LSI--O,水质稳
定,无腐蚀结垢倾向;LSI<O,有腐蚀倾向。基于LSI
文献[3]给出了二次LSI法,提出了把
pH=10.5作为
分界点的说法,文献[4]对分界点的选择提出不同看
法,而文献[5]指
出对于分界点应设置一碱度系数
Bd,文献[6]利用酸碱关系建立了新的CaCO,稳定
判定
数学模型。LsI具有较强的理论和实用性。为水
质特性定量化研究奠定了基础.适合于未加药剂时冷却水腐蚀和结垢倾向的定性判断。
1.2
Ryznar指数RSI
RSI亦称稳
定指数(7】.是1944年Ryznar针对
Langelier指数的弊端.在大量实验的基础上提
出的
半经验性指数。其定义如式(3):
式中:pH广碳酸钙处于平衡状态时的pH;
RSI=2pHs--pH
(3)
pH——水的实际pH。
RSI主要适合间冷开式循
环冷却水系统,有一
定的实践基础,一般认为pH在6.5。8时较准确。水
质判断结论如表1
。
1.3碳酸钙沉淀势CCPP
1977年D.T.Men'ill和R.L.Sanks提出
了碳酸
钙沉淀势(CCPP)c引。它能给出碳酸钙的沉淀或溶解
万方数据
高强,等:
循环冷却水水质稳定性判断方法的研究综述
表1RSI指数水质判断结论
RSI范闱循环冷却水
水质稳定性
<3.7
严重结垢
3.7—6
轻微结垢
—6
基本
稳定
6—7.5
轻微腐蚀
>7.5
严重腐蚀
量的数值,其定义如式(
4):
CCPP=100x([Ca2+]i一[Ca“]。)
(4)
式中:[C矿]
广一原水样中钙离子的浓度,mol/L;
[Ca2+]岫_碳酸钙溶解平衡时的钙离子浓
度,
mol/L。
CCPP在定性分析腐蚀结垢的基础之上.可以
定量的给出碳酸钙沉淀或溶解量的
数值。水质判断
结论如表2。
表2CCPP水质判断结论
CCPP范罔
循环冷
却水水质稳定性
m严莺腐蚀
中度腐蚀
轻微腐蚀
o加4
基本不结垢或很
轻
轻微结垢
州~…~
较严重结垢
mⅢ,
Ⅲ
严重结垢
1.4侵蚀指数AI
美国水处理工作者协会于1977年提出了侵蚀
指数(AI)㈣。主要用来
鉴定水质对石棉水泥管侵蚀
性的稳定性。它综合了原水中所含的全部离子对碱
度、硬度和pH的
影响,统计归纳出它们对侵蚀的作
用。其定义如式(5):
AI=pH+Ig(A
xH
)(5)
式中:pH——水体实际pH;
A——水体总碱度(以碳酸钙计),mg/L;
酐一水体总硬度(以碳酸钙计),ms/L。
水质判断结论如下:当AI<IO时.水的侵蚀性
高;AI为10.12时,水具有中等侵蚀性;AI>12时,
该水质无侵蚀性。
1.5Puckofius指数PSI
PsI亦称结垢指数EIoJ.是1979年Puckofius提
出的,用平衡pH代替实际pH,以修正Ryznar指数,
属于纯经验指数。其定义如式(6
):
式中:pH广碳酸钙处于平衡状态时的pH;
PSI=2pHs-pH。
(6)<
br>pHq一一冷却水的平衡pH。
pH。可按式(7)计算:
PHfl.465lg[M]
“.54
(7)
一21一
专论与综述
式中:[M卜一令却水的
总碱度(以碳酸钙计),mWL。
pHq也可通过查表得出。
水质判断结论:当PSI<6时,
倾向于结垢;PSI=6
时.水质稳定,不结垢、不腐蚀;PSI>6时,倾向于腐
蚀。PSI
修正了pH,在实际判断中尤为准确。适合直
流式冷却系统和地表水补充为主的循环水系统.一
般认为DH在6.5.7.5较准确。
1.6
Feitler临界指数和应用指数
19
72年Feitler通过实验的方法提出了临界指
数E‘n],当水中碳酸钙开始沉淀析出时。此时的
pH
称为临界pH,用实验测定值pHc表示,其定义如式
(8):
E=pH-pHc
(8)
式中:pH——水的实际pH;
pHr一临界pH。
pile一般超过
饱和pH
1.7~2单位,可按式(9)
计算:
pHc--pHs+2
(9)
水质判断结论:当局>0时,发生结垢现象;当
月<一2时,结垢溶解;当月为一2。0时,处
于介稳状
态。控值pH在临界点上是很难实现的,在实际中常
以控制pH不大于pHs一个单位
较为安全,从而引
出应用pH(J书pH,表示)和应用指数YI…’,其定义如
式(10)和
(11):
YI---pH—pit,
(10)
pHy=pHs+l
(11)
水质判断结论:当y。>0时,发生结垢现象;当
Y。<一2时,结垢溶解;当yl为一1~0
时,处于介稳状
态。临界指数和应用指数适合各式冷却水系统,对水
质无太多限制。
1
.7推动力指数DFI和暂时过量ME
1960年Me
Cauley提出了一种表示碳酸钙溶解
性的方法。定义为推动力指数DFIcnj。其定义如式
(12):
DFI=[Ca:
+Ix[t03。]俄∞
(12)
式中:[Ca2+]——水中Ca2+的浓度,mrnol/
L;
[CO/-]——水中C032-的浓度,mmol/L;
K。o_一同一温度下CaCO
,的溶度积常数。
水质判断结论:当DFI=1时.水中碳酸钙恰好
饱和;DFI>I时,水中
碳酸钙过饱和,有析出碳酸钙
的倾向;DFI<I时,水中碳酸钙未饱和,有溶解碳酸
钙的倾向
。根据溶度积原理还提出了磷酸钙饱和指
数、硫酸钙饱和指数和硅酸盐垢饱和指数等。
—22—
万方数据
丁业水处理2011—10,31(10)
1958年Dye提出了暂时过量
ME【12).ME表示
超过溶度积K钔所允许的碳酸钙溶解浓度,是应从
水中沉淀出来的部分
,所以称其为暂时过量,其定义
如式(13):
[Ca“-ME]x[C032--ME]=‰
(13)
水质判断结论:当ME>0时.有结垢倾向;ME-o
时,水质基本稳定;M
E<0时。有腐蚀倾向。此外。还
可定量给出达到溶解平衡时.水中溶解或沉淀的碳
酸钙量。<
br>2基于多参数分析的水质判断指数
随着人们对水质特性的研究.发现实际循环冷
却水的水
质较为复杂。国内外学者通过大量的研究,
提出了基于多参数分析的水质判断指数。其中我国
学
者根据实际的水质情况提出了更符合实际需求的
水质判断指数.其考虑的因素更加全面。具有重要的实际价值和理论价值。现以目前主要的基于多参数
分析的水质判断指数进行概述。
2.I<
br>拉森腐蚀指数LR
LR是Larson和Skold在分析大量水对碳钢腐
蚀时总结出来
的(133,认为水的腐蚀性与CI一、so?一和
HC03-密切相关,随后给出了它的经验公式,其
定义
如式(14):
LR=[CI一]+rS0产],o
(14)
式中:[C
l一]——水中Cl一的浓度,mol/L;
[SO产]——水中SO?-的浓度,mol/L;
C旷-----水中的肘碱度,m#L。
水质判断结论如下:LR为l。5时,为一般腐蚀:
LR为15~20时,为较严重腐蚀;LR为30~40时,为
严重腐蚀。LR主要用于对碳钢的腐蚀判
断。文
献[12]还给出了其他一些判断腐蚀特性的指数:(1)
Riddick提出的适用于
美国东海岸硬度较低水质的
RCI腐蚀指数;(2)1948年Loschiavo根据美国陆
军在新英格兰地区的用水经验提出的Casil指数
CI等。
2.2污垢热阻h
最早的
污垢模型是1924年由McCabe和
Robinson针对蒸发器水垢提出的。但最重要的模型是1959年Kem和Seaton提出的微分形式污垢分
析模型[14J.这一模型为后来污垢研
究奠定了理论基
础。污垢传热系数的倒数称为污垢热阻rF,该值可通
过计算得出.也可通过测
量得出。目前要求设备传热
面水侧污垢热阻值应小于3.44x10-4
m2.K/W:污垢<
/p>
T业水处理2011—10,31(10)
热阻可以衡量不同水质产生的污垢程度
.即判断不
同水质的稳定程度。现今污垢热阻多用来评定阻垢
剂的性能。许多科研单位、大专院
校等基于此原理研
制冷却水污垢在线监测仪。其定义参考式(15)(其他
表达方法参见文献[
15]):
式中:r广污垢热阻,m2・K/W;
rv=絮手.[(警k(黯k](15)L——管子长度,m;
d内——管内直径,m;
G——体积流量,kg,(m2・s);<
br>C广流体比热,kJ/(kg・K);
t出、t’出——流体的出I=1温度,K;
t人
、t’人——流体的入H温度,K;
如、瑶一一流体与污垢层之间的界面温度,K。
2.3极限
碳酸盐硬度日橇
循环水在一定的水质和水温条件下.都有一个
不结垢的最大碳酸盐硬度值Cn6
].称其为极限碳酸盐
硬度瑰,可通过模拟实验法和经验公式法求得,其
经验计算公式如式(1
6):
式中:[O]——补充水的化学耗氧量COD№,mg]L;
玩=知8+孕一珥t-40
一蒋2.8HrB
](16)
日『_补充水的非碳酸盐硬度,mmol/L;
f——循
环冷却水的最高温度,℃。
当t<40℃.仍按40℃计算。
水质判断结论:当‰=Ⅳ׉≤何
极时,循环水不
产生水垢;H==NxHn3>H援时,循环水将产生水垢。
2.4差值法人们也常使用经验方法——差值法来判断循环
冷却水的结垢程度[17]。常见的形式有3种:AA
、AB
和AH。其定义如式(17)、(18)和(19):
AA=Clti/CId-Mm/
M“.
(17)
AB=NxMct-M朴(18)
式中:Ⅳ-浓缩倍数;
AH
=Nxl'Itt-H朴
(19)
胁一水的甲基橙碱度,mm01]L;
日.一水的硬
度,mmol/L。
水质判断结论:当△A≤O.2时,水质稳定不结
垢:△A越大,水质越不
稳定,结垢程度越严重。
ABe<0.5时.水质稳定不结垢;AB越大,水质越不
稳定.结垢
程度越严重;AH一<0.5时,水质稳定不结
垢:差值法只适用于单一水源且水质变化不大的循
万方数据
高强,等:循环冷却水水质稳定性判断方法的研究综述
环冷却水系统。文献(18]
针对差值法的不足给出了
安定指数法。它适合于多种水质及多种水质处理方
式,不受补充水水源
、水质波动的影响。
2.5
总硬浓缩倍数跟随率‰-
王永敏等【-,)结合运行实际提
出了总硬浓缩倍数
跟随率法.用以监控循环冷却水的水质稳定性。其定
义如式(20):
Ralt=K总穗Ⅸaxl00%
(20)
式中:Kz爱——循环水总硬/补充水总硬;K口——循环水的o-/:#b充水的C1.。
水质判断结论:R总硬越接近l,说明结垢情况越<
br>少;尺总爱越偏离l,说明结垢情况越严重。其控制范
围应根据实际运行情况来定。适合补充水水
质、循环
冷却水pH变化不大的水质判断。
2.6腐蚀因子F木和结垢因子.,木
通过
大量的研究和实践经验.李本高等C20]于
2007年提出了腐蚀因子F水和结垢因子^的概念。腐蚀因子是指某种水质对碳钢在循环水运行条件下
的腐蚀强弱程度。它主要与水中的硬度、碱度、氯
离
子浓度和总溶解盐浓度有关。结垢因子是指某种水
质在特定温度下钙硬和碱度的离子积与该温
度下达
到平衡时的溶度积的比值。它主要与水中的硬度和
碱度有关。腐蚀因子和结垢因子的计算
公式如式
(21)和(22):
以:5×l(Pxl01脚k×一(9.8-pH),×In(
。C+o+堡0.SXCs)
(21)
L,CaeXL,W
式中:ccl-特定温度下
水的实测钙硬度(以CaCO,
.,慕:2×10-l。x10pH'-1’”C。×10缸(pH一5
.3)
(22)
计),ms/L;
o一特定温度下水的实测碱度(以CaCO,
Cr特定温度下水的实测氯离子质量浓
计),mg/L;
度.ms/L;
G一特定温
度下水的实测总溶解盐质量浓
度.ms/L;
pH——特定温度下水的实测pH;
pH
广冷却水的平衡pH,可按式(23)计算:
pH。=1.465lg
G一.54
(2
3)
水质判断结论:F水越大。说明水对碳钢的腐蚀
性越强,反之,对碳钢的腐蚀性越弱。当.
,水<l时,水
质不结垢。原有结垢发生溶解;.,水=l时,水处于平衡
状态;.,水>1时
,水质结垢,比l越大,发生结垢的趋
势越强。可见.腐蚀因子和结垢因子更能准确反映实
际水
的腐蚀特性和结垢特性。使用较方便。
一23~
专论与综述T业水处理201<
br>1—10,31(10)
电T,1996。16(1):37—39.
3结论与展望国内外学者对水质判断指数做了大量的研究工
作,提出了许多判断水质稳定性的指数。所有指数的<
br>提出都希望能够对水质的腐蚀特性和结垢特性作出
准确的判断,以期在水处理实践中起到很好的作
用,
但是每种指数在实际应用中都有它的局限性和不
足。在2007版《工业循环冷却水处理设
计规范》中,
污垢热阻值和腐蚀速率等指标都作了修改和提高.
对水处理工作提出了更高的要求
。也为循环冷却水
水质腐蚀、结垢特性的准确判断提出了更高的要求。
综上分析,目前的研究发
展趋势有:
(1)随着计算机管理信息系统的发展和自动化
综合管理水平的不断提高,如制造执
行系统MES、
实验室信息管理系统LIMS等.随之出现了大量化
验数据、生产数据等原始数
据。基于丰富的水质和水
量数据.通过智能预测的方法来建立水质腐蚀结垢
预测模型.将水质判
断指数和水质预测模型结合起
来.是准确、合理判断水质腐蚀特性和结垢特性的一
个发展方向。
(2)化学反应进行时,存在着许多非线性反应,
包括化学振荡、化学波和化学混沌等非线性现
象。基
于反馈对非线性化学反应耦合和控制动力学的研
究:基于非线性化学反应的速率、机理和
动力学类型
研究的非线性化学反应动力学.对研究水质特性有
重要的指导作用。
[参考
文献】
[1]Langeiler
W
F.The
analytical
control
of
anti-corrosive
water
treat
・
[6]李克勋,张振家.水中CaC03稳定计算数学模型的探讨[J].环境
科学学报,2
001,21(增刊):65--69.
[7]Ryznar
JW.A
ate
ncwindexfor
determining
amountofcalciumcarbo
n-
a
scaleformed
by
water[J].American<
br>WaterWorksAssociat-
ion,1944,36(4):472—钾7.[8]Merrill
D
T,SanksRL
Corrosion
con
trol
by
deposition
of
CaC03
plantoperators[J].American
Water
films:Apartiea
l
approach
for
WorksAssociation,1977,69(1
1):592—597.
[9]Shock
M
R,Buelow
water<
br>R
W.11Ie
behavior
of
asbestors-eeme
nt
pipe
undervarious
quality
condition
:Part2.theoretical
considers-
tions[J].Ameri
canWaterWorksAssociation,1981。73(12):636—
651.<
br>[10]纪永亮.饱和指数的研究与发展概述[J].工业水处理.1986,6
(4):8—1
2.
[11]崔小明.水质稳定性指数判定法简析[J].净水技术。1998,64
(2):
21—24.
[12]许保玖.给水处理理论[M].北京:中国建筑T业出版社,2000:
【13]‰TE,SkoldRV.Corrosion
[14]Kern
66l—687.<
br>andtubereulationof
castiron[J].
AmericanW
aterWorksAssociation。1957,49(10):1294--1如12.
D<
br>Q,Seaton
RE.Surface
fouling:how
to
calculate
limits[J].
ChemicalEngineeringProg
ress,1959,55(6):71-73.
[15]周本省.T业水处理技术[M].北京:化学
工业出版社,2002:
50一56.
[16]王海军,田淑华,武惠卿.判断循环冷却水水质
稳定性的几种方
法[J].吉林电力技术。1991(5):37—39.
[17]徐洪.冷却
水稳定性的判断方法【J].华东电力,1986(3):35—
41.
[18]张广文.循环
玲却水质稳定性判断方法的研究[J].东北电力大
学学报,2007,27(6):105—107.
[19]3/,,g敏,顾伟忠.总硬浓缩倍数概念在循环冷却水水质监控中
的运用初探[J】
.给水排水,1999,25(6):44—45.
[20]李本高,汪燮卿.水质特性与水质的关系研
究[J].丁业水处理,
2008,28(10):71—73.
ment[J].Ameri
can
WaterWorksAssociation,1936,28(in):1500-
1505.
[2]王鼎臣.关于碳酸盐型水质稳定性指数判定法的讨论[J].水处
理技术。1
994.20(4):219—229.
[3]Miyamoto
H
K,Silber
t
MD.New
approach
to
the
Langeliers
tability
[作者简介]高强(1968一),1999年毕业于天津大学,硕士,教
授
。硕士研究生导师。电话:022-60214105。E.mail:
gaoanbei@163.c
om。通讯联系人:张凌峰,E-mail:
zhanglingfeng_zdh@126.com。
index[J].Chem.Eng.,1986,28:89-92.
[4]刘绍银.水的
CaC03稳定性判断[J].下业水处理,1990,10(4):
9-12.
[5]陈震平
.用兰格指数判断模拟灰水的结垢趋势[J].福建电力与
[收稿日期】201l埘一29(修改稿)<
br>.址.址.址.址.‘lL—t.址.址.址.址舢—‘.‘.L.‘‘L.‘止—比JL.‘.L.‘.
L.‘止—lIL—lIL.址.址.‘-Lj止.‘ILjLj-L_‘止—止—止.址.‘止-‘‘L.址—
址J‘L—‘L.址.‘IL.‘t.址.‘也.址
・简讯・
电渗析法淡化海水重获青睐
低能耗的反渗透法海水淡化技术取代。随着电渗析技术不断浙江省杭州水处理技术研究开发中心电渗析膜组器研
制近日取得重大进展,每吨海水淡化的耗电量低于8kW.h.
耗电量较之前的技术降低了近5
0%。
早在20世纪80年代.电渗析法就被杭州水处理技术研
究开发中心运用于西沙群岛海水
淡化工程.但是.由于当时
淡化级数多、耗电量大,导致制水成本过高.电渗析法逐渐被
发展,
其制水能耗不断降低,按淡化20删海水计算.如果采
用反渗透法.其制水耗电将大于10kW・h/t
;而电渗析法制水
耗电只需要5。8
kW.h/t。使用这项技术,在电渗析海水淡化
的同时.还可进行海水浓缩制盐,进一步达到节能降耗的目
的。
摘自《中国环境报》20ll-
08加2(6)
—24一
万方数据