CN106587278A - 循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，包括：(1)、获知电化学除垢标准设备在单位时间内的硬度去除量和碱度去除量；(2)、获知其循环冷却水系统在不同外部温度条件下的单位时间蒸发水量和风吹飞溅水量；(3)、获知循环冷却水系统补充水的水质参数情况；(4)、以氯离子作为目标物，完成系统的水量平衡计算；(5)、初始选择n台电化学除垢设备，计算平衡时，系统中的硬度浓度及碱度浓度；(6)、使用结垢指数模型来计算在平衡状态下的结垢指数；(7)、计算直到结垢指数与腐蚀结垢平衡点数值相同，最终确定具体的选择台数。本发明从硬度和碱度两个方向综合考虑设备选型，相对于现有技术，更加经济、实用。

Description

循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法

技术领域

本发明属于电化学技术领域，特别涉及一种用于循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法。

背景技术

利用电化学技术来进行除垢阻垢处理已经早有文献(Desalination,2006,201:150；Desalination,2008,230:329；Desalination,2016,381:8；西安交通大学学报,2009,43(5):104；西安交通大学学报,2013,47(7):47)、专利公开(CN105523611A、CN105668713A)报道，并已经在工程实践中得到一定程度的应用。相比于传统的化学加药方法以及研究较多的高压静电阻垢技术、磁化技术、电磁场技术、量子环技术及超声波技术，电化学除垢阻垢技术的优点在于能够将水中的成垢离子以水垢沉积的方式从水体中析出，属于典型的主动式除垢阻垢技术。与此同时，电化学反应器中的阳极在反应过程中能够产生大量的强氧化性活性物质，使得该技术对于循环冷却水系统的微生物及藻类也具有较好的杀灭及抑制作用。

现在有关于电化学水垢处理技术的文献报道及专业技术人员对其技术原理的认识，都局限于成垢离子在阴极区域与碱度的结合后形成水垢析出，进而使得水中硬度下降而无法在换热设备表面结垢。从控制硬度水平的角度出发去看待电化学水垢处理技术，为保证换热器表面不结垢，需要将循环冷却水中的硬度水平控制在一个较低值。基于此，现有技术方案都是从降低硬度的角度来着手进行实践，并据此为循环冷却水系统进行设备选型。

如此一来，为达到大量甚至彻底去除水中硬度的目的，经过理论计算，需要数量庞大的电化学除垢阻垢设备，从经济性角度来看根本不现实。

发明内容

本发明的目的在于提供一种循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，包括以下步骤：

(1)、对于已经确定技术参数的电化学除垢标准设备，获知其在单位时间内的硬度去除量和碱度去除量；

(2)、针对一个技术参数已经确定的循环冷却水系统，获知其在不同外部温度条件下的单位时间蒸发水量，同时评估其单位时间风吹飞溅水量；

(3)、获知循环冷却水系统补充水的水质参数情况，包括：硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值和总盐度；

(4)、以氯离子作为目标物，在确定所需要达到的循环水浓缩倍数的前提下，计算获得循环冷却水系统的单位时间排污量，进而确定其单位时间补水量，完成系统的水量平衡计算；

(5)、循环冷却水系统初始选择n台电化学除垢设备，由此计算当循环冷却水系统达到水量平衡和物料平衡时，系统中的硬度浓度及碱度浓度；

(6)、根据步骤(5)中所获得的硬度浓度、碱度浓度以及循环冷却水系统的其它水质参数，使用结垢指数模型来计算在该平衡状态下的结垢指数；

(7)、以循环冷却水系统在腐蚀和结垢之间的结垢指数平衡点为数值，来反推核算所选择的n台电化学除垢设备是否可以保证系统不结垢不腐蚀；如果步骤(6)计算所得结垢指数偏离腐蚀结垢平衡点，则相应的调整选择台数，再次进行核算，直到结垢指数与腐蚀结垢平衡点数值相同或者调整后的结垢指数最接近腐蚀结垢平衡点数值，最终确定具体的选择台数。

进一步的，还包括以下步骤：

(8)、根据步骤(7)所确定的台数，考虑冗余系数及设备维修保养所需要备份台数的基础上，最终确定实际使用所需的电化学除垢设备台数。

进一步的，步骤(4)具体包括以下步骤：

假定，a表示循环水系统拟达到的循环倍数，那么：

c_循，氯＝a×c_补，氯 (1)

其中，c_补，氯表示补充水中的氯离子浓度；c_循，氯表示循环水中的氯离子浓度；根据氯元素的物料平衡，补水带入的氯量与排污及飞溅带走的氯量平衡，有下述关系式：

V_补×c_补，氯＝(V_飞+V_排)×c_循，氯 (2)

其中，蒸发量不计水中离子损失，排污量与风吹飞溅损失量均按照循环水本身的离子浓度计算，下同；

对稳定的循环冷却水系统，存在如下的水量平衡关系式：

V_补＝V_蒸+V_飞+V_排 (3)

其中，V_补为系统每天的补水量；V_蒸为系统每天的蒸发损失量；V_飞为每天系统的风吹飞溅损失量；V_排为系统每天的排污量；

将式(2)带入(3)，得：

(V_蒸+V_飞+V_排)×c_补，氯＝(V_飞+V_排)×c_循，氯 (4)

由此可以计算出排污量的大小为：

将式(4)带入式(2计算出V_补的大小：

进一步的，步骤(5)具体包括：

对于确定的循化水系统，当运行处于稳定状态后，其硬度与碱度的物料平衡关系式如下所示：

V_补×c_补，硬＝(V_飞+V_排)×c_循，硬+n×m_0，硬 (7)

V_补×c_补，碱＝(V_飞+V_排)×c_循，碱+n×m_0，碱 (8)

其中，m_0，硬是每台电化学设备对硬度的处理能力，m_0，碱是每台电化学设备对碱度的处理能力；c_循，硬为循环水的硬度；c_循，碱为循环水的硬度；

由式(7)可知，稳定运行状态下，循环水中的硬度为：

其中，c_补，硬为补充水硬度；

由式(8)获得循环水中的碱度为：

其中，c_补，碱为补充水碱度。

进一步的，步骤(6)中其它水质参数包括循环水温度和循环水总盐度。

进一步的，步骤(6)中结垢指数为Langelier指数、Ryznar指数、Puckorius指数或Feitler临界指数。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的为循环冷却水系统进行电化学除垢设备选择的方法是在充分理解阳极及其所产生的高酸度区域在除垢阻垢过程中的作用的基础上提出的，从硬度和碱度两个方向综合考虑设备选型，与现有的、单纯从阴极高碱度区域除垢角度出发的方案相比，具有绝对的理论创新性，更加经济、实用。

具体实施方式

实践过程中，很多运行平稳的电化学除垢系统，所对应的循环冷却水硬度能够高达10mmol，甚至更高，依然能够保证换热器不结垢。这显然与需要将控制循环冷却水硬度在一个很低的水平是矛盾的。由此表明，单纯从去除硬度角度看待电化学除垢阻垢技术的出发点是有问题的。这也造成实践过程中给循环冷却水系统进行电化学除垢设备选型是一个非常大的难题。

事实上，对于电化学除垢阻垢技术而言，其技术原理是双方面的：(1)在阴极区域，由于成垢离子在高碱度的环境下析出成为水垢，导致水体中的成垢离子浓度降低，使得水体结垢趋势减弱，这一部分的功能被称为“除垢”，即将水体中的成垢离子除去。(2)在阳极区域，由于碱度离子在高酸度的环境下形成二氧化碳，造成水体中的碱度离子浓度降低。而结垢过程必须是硬度和碱度的配合才能够完成；如果单纯是硬度存在，也是无法结垢的。由此，阳极酸性区域对碱度的削弱会使得水体结垢趋势减弱，这一部分的功能被称为“阻垢”，即只是通过减少碱度而阻止水垢析出，而并非将硬度去除掉。这两者配合才使得电化学除垢阻垢技术对控制水垢有较好的效果。

由上述分析可知，正是基于此种硬度与碱度同时降低，且碱度降低量大于硬度降低量的事实，使得当硬度与碱度浓度满足一定的关系时，即使硬度值依然较高，换热器却能够保持不结垢。据此，可以对目前的电化学选型方案进行新的设计。

1)电化学设备的硬度、碱度去除能力

针对已经确定技术参数的电化学除垢标准设备，可以采用相应的办法来确定其对于不同水质条件下的硬度与碱度去除能力。

此类办法包括：(1)理论方法，即根据法拉第定律，在确定通过电极的电子数目与硬度、碱度去除量之间的关系前提下，核算出相应的硬度与碱度去除能力；(2)实验方法，通过实际实验来获知不同水质条件下现有设备的硬度与碱度去除能力。

2)循环冷却水系统技术调研

针对一个技术参数已经确定的循环冷却水系统，通过前期详细的技术调研获知以下参数：

a、其在不同外界温度条件下、单位时间内的蒸发水量，以V_蒸计。循环冷却水系统在夏秋季和春冬季由于外界温度的改变，V_蒸在数值上会有较大的差别，此点在后续计算过程中通过冗余系数而加以考虑。

b、其系统补充水的水质参数情况，包括：硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值、总盐度。以c表示补充水中的各种物质的浓度，其具体意义根据下标来区别。例如，c_补，氯下标为“补，氯”，表示其为补充水中的氯离子浓度。

c、根据循环冷却水系统的设计参数及相关经验参数评估其单位时间风吹飞溅水量，以V_飞计。

3)循环冷却水系统的水量平衡

在循环水系统中，氯离子由于其特殊的性质，且在电化学反应过程中损失率很低，可以用其来进行浓缩倍率的表征。由此，以氯元素平衡作为标准来计算循环冷却水系统的水量平衡关系式。

假定，a表示循环水系统拟达到的循环倍数，那么：

c_循，氯＝a×c_补，氯 (1)

在c_补，氯已知的前提下，c_循，氯即可视为已知的值。根据氯元素的物料平衡，即补水带入的氯量应该与排污及飞溅带走的氯量平衡，有下述关系式：

V_补×c_补，氯＝(V_飞+V_排)×c_循，氯 (2)

其中，蒸发量不计水中离子损失，排污量与风吹飞溅损失量均按照循环水本身的离子浓度计算，下同。

对一个稳定的循环冷却水系统而言，存在如下的水量平衡关系式：

V_补＝V_蒸+V_飞+V_排 (3)

其中，V_补为系统每天的补水量；V_蒸为系统每天的蒸发损失量；V_飞为每天系统的风吹飞溅损失量；V_排为系统每天的排污量。

将式(2)带入(3)，可得：

(V_蒸+V_飞+V_排)×c_补，氯＝(V_飞+V_排)×c_循，氯 (4)

由此可以计算出排污量的大小为：

将式(4)带入式(2)即可计算出V_补的大小。

到此，循环水系统的水量平衡即完成。

4)循环冷却水系统的硬度与碱度核算

假定，在循环水系统中加n台电化学设备。对于硬度和碱度而言，由于电化学设备的加入，其物料平衡将不同于氯的情况。

对于一个确定的循化水系统而言，当运行处于稳定状态后，其硬度与碱度的物料平衡关系式如下所示：

V_补×c_补，硬＝(V_飞+V_排)×c_循，硬+n×m_0，硬 (7)

V_补×c_补，碱＝(V_飞+V_排)×c_循，碱+n×m_{0，碱 (}8)

其中，m_0，硬是每台电化学设备对硬度的处理能力，m_0，碱是每台电化学设备对碱度的处理能力。

由式(7)可知，稳定运行状态下，循环水中的硬度为：

同理，可以由式(8)获得循环水中的碱度为：

5)结垢指数计算与判断

由式(9)与(10)获得循环冷却水系统在稳定运行情况下的硬度、碱度浓度值，据此计算或查阅得到相应的结垢指数。将所得结垢指数与腐蚀结垢平衡点数值来比较，由此来判断循环冷却水是结垢(结垢指数大于腐蚀结垢平衡点数值)还是腐蚀(结垢指数小于腐蚀结垢平衡点数值)。如果循环冷却水是结垢倾向，则需要增加n值，再次核算；如果循环冷却水是腐蚀倾向，则需要减少n值，再次核算。不断调整n值，直至最终所得结垢指数处于临界点位置或者最接近临界点位置即可。

此处可以使用的结垢指数包括：Langelier指数、Ryznar指数、Puckorius指数与Feitler临界指数等。指数计算的具体方法可以查阅相关工具书籍。工程实践中到底使用哪一种结垢指数，可以根据实际情况来进行选择。

6)冗余考虑

考虑到在实际运行过程中电化学设备需要维护清理以及由于蒸发水量由外界温度所造成的影响等因素，需要对所选择的电化学设备台数进行冗余考虑。

n_实际＝n_理论*η_冗余 (11)

其中，η_冗余表示冗余系数。

本发明一种循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，包括以下步骤：

(1)、对于已经确定技术参数的电化学除垢标准设备，获知其在单位时间内的硬度去除量和碱度去除量；

(2)、针对一个技术参数已经确定的循环冷却水系统，获知其在不同外部温度条件下的单位时间蒸发水量，同时评估其单位时间风吹飞溅水量；

(3)、获知循环冷却水系统补充水的水质参数情况，包括：硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值和总盐度；

(4)、以氯离子作为目标物，在确定所需要达到的循环水浓缩倍数的前提下，计算获得循环冷却水系统的单位时间排污量，进而确定其单位时间补水量，完成系统的水量平衡计算；

(5)、循环冷却水系统初始选择n台电化学除垢设备，由此计算当循环冷却水系统达到水量平衡和物料平衡时，系统中的硬度浓度及碱度浓度；

(6)、根据步骤(5)中所获得的硬度浓度、碱度浓度以及循环冷却水系统的其它水质参数(循环水温度、循环水总盐度)，使用结垢指数模型来计算在该平衡状态下的结垢指数；

(7)、以循环冷却水系统在腐蚀和结垢之间的结垢指数平衡点为数值，来反推核算所选择的n台电化学除垢设备是否可以保证系统不结垢不腐蚀；如果步骤(6)计算所得结垢指数偏离腐蚀结垢平衡点过多(无论是结垢倾向还是腐蚀倾向)，则相应的调整选择台数，再次进行核算，直到结垢指数与腐蚀结垢平衡点数值相同或者调整后的结垢指数最接近腐蚀结垢平衡点数值，最终确定具体的选择台数。

(8)、根据步骤(7)所确定的台数，考虑冗余系数及设备维修保养所需要备份台数的基础上，最终确定实际使用所需的电化学除垢设备台数。

Claims (6)

1.循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、对于已经确定技术参数的电化学除垢标准设备，获知其在单位时间内的硬度去除量和碱度去除量；

(2)、针对一个技术参数已经确定的循环冷却水系统，获知其在不同外部温度条件下的单位时间蒸发水量，同时评估其单位时间风吹飞溅水量；

(3)、获知循环冷却水系统补充水的水质参数情况，包括：硬度浓度、碱度浓度、氯离子浓度、pH值和总盐度；

(4)、以氯离子作为目标物，在确定所需要达到的循环水浓缩倍数的前提下，计算获得循环冷却水系统的单位时间排污量，进而确定其单位时间补水量，完成系统的水量平衡计算；

(5)、循环冷却水系统初始选择n台电化学除垢设备，由此计算当循环冷却水系统达到水量平衡和物料平衡时，系统中的硬度浓度及碱度浓度；

(6)、根据步骤(5)中所获得的硬度浓度、碱度浓度以及循环冷却水系统的其它水质参数，使用结垢指数模型来计算在该平衡状态下的结垢指数；

(7)、以循环冷却水系统在腐蚀和结垢之间的结垢指数平衡点为数值，来反推核算所选择的n台电化学除垢设备是否可以保证系统不结垢不腐蚀；如果步骤(6)计算所得结垢指数偏离腐蚀结垢平衡点，则相应的调整选择台数，再次进行核算，直到结垢指数与腐蚀结垢平衡点数值相同或者调整后的结垢指数最接近腐蚀结垢平衡点数值，最终确定具体的选择台数。

2.根据权利要求1所述的循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，其特征在于，还包括以下步骤：

(8)、根据步骤(7)所确定的台数，考虑冗余系数及设备维修保养所需要备份台数的基础上，最终确定实际使用所需的电化学除垢设备台数。

3.根据权利要求1所述的循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，其特征在于，步骤(4)具体包括以下步骤：

假定，a表示循环水系统拟达到的循环倍数，那么：

c_循，氯＝a×c_补，氯 (1)

其中，c_补，氯表示补充水中的氯离子浓度；c_循，氯表示循环水中的氯离子浓度；根据氯元素的物料平衡，补水带入的氯量与排污及飞溅带走的氯量平衡，有下述关系式：

V_补×c_补，氯＝(V_飞+V_排)×c_循，氯 (2)

其中，蒸发量不计水中离子损失，排污量与风吹飞溅损失量均按照循环水本身的离子浓度计算，下同；

对稳定的循环冷却水系统，存在如下的水量平衡关系式：

V_补＝V_蒸+V_飞+V_排 (3)

其中，V_补为系统每天的补水量；V_蒸为系统每天的蒸发损失量；V_飞为每天系统的风吹飞溅损失量；V_排为系统每天的排污量；

将式(2)带入(3)，得：

(V_蒸+V_飞+V_排)×c_补，氯＝(V_飞+V_排)×c_循，氯 (4)

由此可以计算出排污量的大小为：

将式(4)带入式(2计算出V_补的大小：

4.根据权利要求3所述的循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，其特征在于，步骤(5)具体包括：

对于确定的循化水系统，当运行处于稳定状态后，其硬度与碱度的物料平衡关系式如下所示：

V_补×c_补，硬＝(V_飞+V_排)×c_循，硬+n×m_0，硬 (7)

V_补×c_补，碱＝(V_飞+V_排)×c_循，碱+n×m_0，碱 (8)

其中，m_0，硬是每台电化学设备对硬度的处理能力，m_0，碱是每台电化学设备对碱度的处理能力；c_循，硬为循环水的硬度；c_循，碱为循环水的硬度；

由式(7)可知，稳定运行状态下，循环水中的硬度为：

其中，c_补，硬为补充水硬度；

由式(8)获得循环水中的碱度为：

其中，c_补，碱为补充水碱度。

5.根据权利要求1所述的循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，其特征在于，步骤(6)中其它水质参数包括循环水温度和循环水总盐度。

6.根据权利要求1所述的循环冷却水系统的电化学除垢设备选型方法，其特征在于，步骤(6)中结垢指数为Langelier指数、Ryznar指数、Puckorius指数或Feitler临界指数。