CN109912049A - 金属冷却塔循环冷却水处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种金属冷却塔循环冷却水处理系统，包括特频电磁波激励装置、水质在线监测系统、自动排污系统。本发明有益的效果是：通过不同频率的时变电磁场对水进行处理，并对冷却塔金属水池进行针对性腐蚀防护，达到结垢、腐蚀、藻类和细菌控制的目的。同时，通过配备先进的水质在线监测系统、自动排污系统和显示及控制系统，优化处理方案，实现在线监控、智能运行及无人值守。与传统方法相比，具有高效、低能耗及环保的特点。
Description
技术领域
本发明涉及环保技术领域，尤其涉及一种金属冷却塔循环冷却水处理系统。
背景技术
在循环冷却水系统中，通常需要一整套维护程序以达到有效控制结垢、腐蚀及微生物控制的目的。目前市场的解决办法仍以化学药剂法为主，其它所谓物理法包括永磁法、电磁感应圈法、铜/银离子化、UV、臭氧、电解等。
化学药剂法主要缺点包括：多种水处理药剂的化学品被列为危险物质，需要经过培训的的专职人员进行操作，以应对化学品泄漏或是暴露事件；无法准确控制药剂添加量，常处于药剂不足或过量状态，影响处理效果；药剂本身进入循环水系统，会产生化学品积垢；可控制的循环水浓缩倍数低，大量排污造成水资源浪费；直接排入水体，造成水环境污染，破坏生态平衡，引起水体富营养化及灌溉农作物减产或死亡。
上述提到的物理法中，铜/银离子化、臭氧及电解实际仍是属于化学法的范畴，且均无法起到腐蚀和结垢控制的功能，甚至加速腐蚀。其中，根据ASHRAE手册(2003ASHRAEApplication Handbook 48.6)中所述，铜、银离子法处理冷却水系统会有明显的局限性。在美国，许多州已经禁止铜、银离子向地表水的排放。如果系统中水的pH值超过7.8，这种处理法的效力也会明显降低。由于铜离子的沉积和后续的电腐蚀的趋势是非常明显的，所以不可用铜、银电极法处理铁/铝材质循环冷却水系统。
在上述提到的物理处理法中，永磁和电磁感应线圈只能起到一定程度的防垢效果，但防腐、杀菌、抑藻无效。UV仅有杀菌效果。
尤其对于金属冷却塔，整个塔体暴露在潮湿环境中，极易腐蚀。如在冷却塔水池中直接加入酸性阻垢药剂和强氧化性(例如次氯酸)的杀菌、抑藻药剂，更会加速塔体腐蚀。
发明内容
本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种金属冷却塔循环冷却水处理系统，通过不同频率的时变电磁场对水进行处理，并对冷却塔金属水池进行针对性腐蚀防护，达到结垢、腐蚀、藻类和细菌控制的目的。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种金属冷却塔循环冷却水处理系统，包括特频电磁波激励装置、水质在线监测系统、自动排污系统。
特频电磁波激励装置上连接有冷却塔金属水池，特频电磁波激励装置上连接电磁波发射器、电磁波接收器，电磁波发射器置入冷却塔金属水池中，电磁波接收器与冷却塔金属水池导通。
水质在线监测系统包括pH值、温度、电导率、氯离子、ORP、钙硬度、腐蚀速率、COD监测。
自动排污系统包括电导率控制仪、电磁阀、电动阀、管道过滤器、截止阀、止回阀、流量计。
电磁波发射器包括水中发射器，水中发射器上连接有增强器，增强器上连接有高度调节机构，增强器上连接有增强器底座
电磁波接收器包括接收装置、接收器安装板、接收器防水接线盒。
特频电磁波激励装置还包括电气控制箱箱体、电源模块、印刷电路板、数据采集系统、PLC、显示系统、远程监控系统。
本发明有益的效果是：本发明的金属冷却塔循环冷却水处理系统，通过不同频率的时变电磁场对水进行处理，并对冷却塔金属水池进行针对性腐蚀防护，达到结垢、腐蚀、藻类和细菌控制的目的。同时，通过配备先进的水质在线监测系统、自动排污系统和显示及控制系统，优化处理方案，实现在线监控、智能运行及无人值守。与传统方法相比，具有高效、低能耗及环保的特点。
附图说明
图1为本发明实施例特频电磁波激励装置总体示意图。
图2为本发明实施例水中杆式发射器的构造图。
图3为本发明实施例接收器的构造图。
图4本发明实施例电磁波激励装置电路模块框图。
图5本发明实施例印刷电路板内部电路框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参照附图：本实施例中的这种金属冷却塔循环冷却水处理系统，包括特频电磁波激励装置1、水质在线监测系统、自动排污系统。
特频电磁波激励装置1上连接有冷却塔金属水池3，特频电磁波激励装置1上连接电磁波发射器4、电磁波接收器2，电磁波发射器4置入冷却塔金属水池3中，电磁波接收器2与冷却塔金属水池3导通。
水质在线监测系统包括pH值、温度、电导率、氯离子、ORP、钙硬度、腐蚀速率、COD监测。
自动排污系统包括电导率控制仪、电磁阀、电动阀、管道过滤器、截止阀、止回阀、流量计。
电磁波发射器4包括水中发射器7，水中发射器7上连接有增强器5，增强器6上连接有高度调节机构6，增强器5上连接有增强器底座8。
电磁波接收器2包括接收装置11、接收器安装板9、接收器防水接线盒10。
特频电磁波激励装置1还包括电气控制箱箱体17、电源模块9、印刷电路板、数据采集系统、PLC、显示系统、远程监控系统。
如图1所示，本发明提供的一种用于金属冷却塔的循环冷却水综合处理系统，特频电磁波激励装置包括一极和置入水中的发射端通过电缆相连，一极和与冷却塔金属水池导通的接收端通过电缆相连。每组特频电磁波激励装置包括若干对发射端和接收端，发射端与接收端之间形成用于对水进行处理的不同频率范围的时变电磁场，对受到电磁场作用的水进行处理，在处理区形成离子电流叠加交变电磁场，激励水分子产生共振，增强水的内部能量，在冷却水中形成无附着性的碳酸钙文石/球霰石及在钢铁表面形成磁铁层，解决结垢和腐蚀问题。这种独特的离子电流脉冲波也可达到显著的微生物灭杀效果，控制细菌和藻类生长。
如图2所示，发射端置于冷却塔金属水池中。材料为MMO阳极，MMO为钛基材涂覆金属氧化物，可涂覆物包括钌、铱、钛、铂等的金属氧化物。MMO发射器可为网状、板状和杆式。优选MMO发射器为杆式，杆径为6mm～20mm，可为空心或实心；此处所用MMO为钛基材涂覆金属氧化物，可涂覆物包括钌、铱、钛、铂等的金属氧化物。
如图3所示，接收端为金属，通过焊接或螺栓与冷却塔金属水池连通。接收器材料为不锈钢、铁及铁合金、铜及铜合金、锌及锌合金等，需与金属水池材料适合连接。
如图4所示，特频电磁波激励装置还包括电气控制箱箱体17、电源模块9、印刷电路板、数据采集系统、PLC及显示系统和远程监控系统，电源模块输出直流电压为5V至60V，形成电磁场的电磁波为正弦波、三角波或方波，电磁波的频率范围为100Hz～50000Hz，扫描频率为0.1Hz至100Hz，工作原理参照图4所示。直流电源模块、PCB板、数据采集及远程监控系统固定于电控箱箱体的安装板上。直流电源模块将220V的交流输入电压转换为5V至60V的直流电压，为PCB电路板供电。PCB板通过将直流电转变为一定频率范围的带有直流偏置分量的交变电流，输出端与发射端相连。交流电流互感器采集的输出电流信号接至PLC，然后在显示屏上显示，并可通过网关进行远程监控。在图4中，标记8为网关，标记9为直流电源模块，标记10为PCB板，标记11为PLC，其中PLC为常规的控制器，例如型号为：松下的FP2-MCU(AFP2465)，标记12为显示屏，标记13为数据采集与远程控制系统，标记14为互感器，标记15为断路器，标记16为电脑。
参照图5所示，印刷电路板(PCB板)的工作原理为：直流电压经电源输入端子输入该逆变电路，一分两路。一路作为主电源，供电给逆变桥。一路作为辅助电路，降压稳压后给MCU控制单元供电，分别控制逆变桥的四个桥臂，从而使直流电压逆变为实际需要的交流电压输出到负载，正常输出时，运行指示灯被点亮。该电路具有智能过流保护电路，假如负载不匹配、负载连接线短路等等不正常现象导致输出电流过大时，过流检测电路立即输出过流信号给MCU控制单元，其中MCU控制单元的型号可以为ATMEGA8A-AU，MCU将立即停止输出，并尝试重新启动输出，如果多次启动失败，该电路将停止输出，直到重新上电复位，与此同时，输出运行指示灯被熄灭。保护功能不止过流保护，还有过温保护，假如环境温度过高，或者电路本身有异常时，导致MOS管温升过高，MCU通过温度传感器感受到温升异常，会自动降低输出脉冲的占空比，以阻止电路短路烧毁等更坏现象的发生。
通常，经过本循环冷却水处理系统的水，在特定温度条件下，水中碳酸钙溶解度增加，达到防止结垢的效果。对于电磁波激励装置的精确防垢频率范围的选择，在实验条件下，通过测定经处理过的水可达到最大碳酸钙溶解度时的频率范围确定；在实际循环冷却水处理项目中，冷却水经浓缩后，通过连续测定水中可达到最大钙硬度时的频率范围确定，也就是说，根据对水中碳酸钙的溶解度进行测定，当溶解度达到峰值时，就是频率的最佳选择值。对于总硬度大于300mg/L的硬水/高硬水作为补充水的场合、热交换器冷却水进出口温差大于15度的应用场合以及有更高浓缩倍数要求的场合，可以增设不同电磁波输出频率的阻垢增强特频电磁波激励装置，达到更佳的处理效果。此处优选电磁波的频率为1000Hz～50000Hz，扫描频率为0.1Hz至100Hz。
对于电磁波激励装置的精确微生物控制频率范围的选择，在实验和实际项目中，均通过测定经处理过的水中混种菌总数可达到最低值时的频率范围确定。对于含高浓度氨氮、总磷的中水或江河水作为循环水补充水的场合及工艺循环冷却水系统有促进微生物繁殖的营养物质混入的场合，可以增设不同电磁波输出频率的微生物控制增强特频电磁波激励装置，达到更佳的处理效果。此处优选电磁波的频率为5000Hz～50000Hz，扫描频率为0.1Hz至100Hz。
此系统可提高水的内部能量，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Ramanspectra)及水表面张力测定，分析以得到水中分子振动、转动能量变化的信息，以较大波动(较大标准偏差)定量确定所处理水在特定条件下需要的处理时间；或者，通过前述方法测定，对输出电流、电压、波形、电磁波频率范围、扫描频率、两个频率或两个周期之间流逝的时间间隔或其任意组合进行优化设计。
一个特频电磁波激励装置可以耦合一对、两对或多对发射器和接收器。优选电磁波激励装置的电源模块输出电流为5A至100A，所耦合单对电磁波发射器和接收器的优选有效输出电流为0.5A至20A。
特频电磁波激励装置输出电压调节可通过手动或PLC控制调节直流电源模块输出电压实现。特频电磁波激励装置输出电流调节可通过使用限流直流电源模块和PLC控制调节实现。
在特频电磁波激励装置输出电压恒定的情况下，发射器所载电流主要受水体电导率、发射器MMO表面积及与冷却塔金属池壁之间的间距影响，可通过调整节前述设置调节输出电流及电磁波强度，达到预期处理效果。
电磁波具有DC偏置电压分量，对被保护金属水池表面施加定向外加电流，使其成为阴极，抑制金属腐蚀发生的电子迁移。因而本系统可解决被保护金属水池更为复杂的腐蚀问题，包括点蚀和缝隙腐蚀，以及异金属腐蚀。例如，在金属冷却塔水池中常见的镀锌钢板水池、低碳钢结构、黄铜阀门、铜浮球、不锈钢滤网之间的异金属腐蚀。
对于冷却塔金属水池腐蚀防护，具有传统阴极保护法无法实现的功能，能够克服干扰和杂散电流腐蚀。
依据水下钢结构防腐蚀的常规标准，最低保护电位为-800mV(Ag/AgCl作为参比电极)，因而DC偏置电压的设定要确保接收器连接的冷却塔水池池壁电位低于最低保护电位。在一些情况下，也会使用其它类型的参比电极来代替Ag/AgCl电极，例如使用更为坚固耐用且维护简易的锌电极。锌参比电极的标准约为250mV。对于锌参比电极，建议控制范围为-150mV至250mV。
金属冷却塔可包括开式冷却塔和闭式冷却塔。冷却塔材质包括不锈钢、铁及铁合金、铜及铜合金、锌及锌合金等。
水质在线监测系统包括pH值、温度、电导率、氯离子、ORP、钙硬度、腐蚀速率、COD等监测的一种或多种。
自动排污系统包括电导率控制仪、电磁阀/电动阀、管道过滤器、截止阀、止回阀、流量计的一种或多种。通常，通过安装ABS(Auto bleeding system)自动排放控制系统来控制总溶解固体(TDS，Total Dissolved Solid)和浓缩倍数(COC，Cycle of Concentration)在设计限值内。ABS含有一个电导率或TDS传感器，通常安装于循环水系统内供水和回水主管之间的旁路上。当电导率达到设定限值时，ABS系统的电磁阀/电动阀就会自动开启，排放冷却水。然后随着补充水注入，使系统内电导率下降至设定理想水平。
水质在线监测系统将水质参数通过RS485或4～20mA信号，传输到数据采集系统，再通过PLC对电磁阀/电动阀的启闭进行排污控制，将pH值、电导率、氯离子、钙硬度、COD调整在控制限值范围内。
显示及控制系统包括数据采集系统、PLC、交换机、HMI显示系统、网关及远程监控系统。
PLC可对电磁波激励装置中的电源模块输出直流电压进行调节，从而调整输出电流在控制限值范围内。
HMI友好人机界面全电脑控制，可以实现无人值守；直观的用户操作面板，多窗口参数显示；图形化符号按键和显示；通过菜单和快捷键，可以进行控制参数调整和设定；可以切换完全手动功能。
运行数据和故障记录可下载、打印。
通讯功能：配备标准RS485通讯接口，支持本地网络通讯，支持固定电话网络通讯，支持GSM移动网络通讯。
故障处理功能：根据故障级别，自动采取声光报警、监控系统报警、手机短信报警、切断供电保护；自动判别故障，指示故障类别；自动故障记录；黑匣子功能，致命故障自动记录现场状态和所有数据，提供分析数据。
支持连接群控设备，远程协调监控机组、水泵、冷却塔的运行。
楼宇控制和联网功能：支持楼宇控制系统连接；支持联网功能，支持多种网络协议；可以实现与Johnson、Honeywell和Siemens Steata等楼宇控制系统连接；支持多种BMSDDC系统；通过Interface实现与各种工控设备和监控系统连接。
本发明的工作原理是运用特频电磁波直接对水进行处理，在处理区形成离子电流叠加交变电磁场。在此电磁场的作用下，成垢物质(主要包括Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO4 2-)会被激发，直接在水中结合，生成钙镁盐类，呈悬浮粉末状结晶析出，随水流冲走，而不会在过饱和状态下于受热表面形成硬垢，从而达到阻垢的目的。
水中硅酸盐也会随碳酸钙协同析出，并具有很好流动性，达到防止硅垢的目的。
同时，在特频电磁波电磁场的作用下，多数盐类的溶解度会上升，则已在系统中形成的盐类硬垢逐步溶回水中，进一步达到除垢的目的。
另外，水中部分极易溶解的钾盐、钠盐也会由于协同作用，包裹在难溶、微溶钙镁盐类结晶中一同析出，从而降低水中盐分，提高循环冷却水的利用率。如在循环冷却水系统中再配以30微米～100微米的过滤装置,则会达到更佳的节水效果。
当水流经过电磁场处理区域时，内部能量增加，会使沉浸于水下或管道内壁的钢铁表面已形成的松散锈层结痂硬化，同时在锈层下形成四氧化三铁(Fe3O4)保护层，此保护层致密稳定，类似镀膜，保护系统免于进一步腐蚀。
通过X射线衍射(XRD)，分析保护层衍射图谱，可明确其主要成分为四氧化三铁(Fe3O4)。
通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)测定，所生成四氧化三铁(Fe3O4)保护层的通常厚度仅约30～50微米。
此磁铁保护层是一种活性层，可再生，亦可自行修复。只要特定频率范围的电磁波对其表面进行直接刺激激励或经过本水系统处理的水不断流经其表面。
此磁铁保护层具有极佳的导电、导热，不耗材的特性，且可避免杂散电流腐蚀。
同时，循环水系统中铜材表面形成的氧化亚铜(Cu2O)保护层及不锈钢材表面形成的三氧化二铬(Cr2O3)保护层也会更加致密，进一步缓解腐蚀。
对于闭式冷却塔/蒸发式冷凝器，通常换热盘管内的热媒体温度远高于其它类别的冷凝器，而且由于蒸发汽化的工作原理，使污垢和水垢成为蒸发式冷凝器运行的最大问题。本系统增加盐类溶解度和防垢、除垢功能，以及自动排污，控制水中盐分，使装置能够实现最大限度的节水、阻垢、节能。
换热盘管的腐蚀问题也是制约蒸发式冷凝器发展的关键因素，蒸发式冷凝器的盘管一般采用整体热浸锌防腐，并要保证镀锌层的厚度，镀锌层的厚度不够或不均都会影响冷却塔的寿命。或结垢控制不当，引起垢下腐蚀。本系统接收端与金属冷却塔水池导通，亦与盘管导通，由于连续的水流覆盖，换热盘管亦同于水下钢结构，处于保护电位，受到阴极保护和四氧化三铁(Fe3O4)保护层生成的双重腐蚀保护。
细菌的新陈代谢是通过电子链传递，而本水处理系统产生的离子电流叠加交变电磁场能够干扰这种电子链传递，继而影响细菌的新陈代谢。
与DNA双螺旋结构连接的弱氢键也会受到这种处理的干扰，抑制DNA复制及细胞分裂，从而控制细菌增长及繁殖。
经本系统处理的循环水冷却水中总菌数限值低于10000cfu/mL；对于多数项目，稳定运行后，冷却水中总菌数值仅约1000cfu/mL。
很多情况下，蓄积生物垢层的管道及池壁还会导致其它微生物的滋生，而本水处理系统能够极大的缓解或彻底清除物生物粘膜，清理管道及水池内壁，并不会造成二次污染。
本发明对嗜肺军团菌的控制亦有效。
本系统对水的处理具有很强的剩余效应，意味着处理后的水在经过数十小时或几天的贮存后，细菌总数和藻类叶绿素指标不增反降。
经此系统处理过的水，不会助长其它细菌和藻类的进一步生长。
可减少淡水藻类的次生代谢产物—微囊藻毒素，它对水体环境和人群健康的危害已成为全球关注的重大环境问题之一。
由于此系统采用变频电磁波，微生物无法及时产生类似化学法处理中的抗药性，因而灭杀效果不会随时间衰减。
本系统发射的特频电磁波及离子电流强度不受水体透明度影响，因而水体浊度不会影响处理效能。
在处理区范围内的藻类也会受到影响，叶绿素被破坏，无法进行正常的光合作用，直至枯亡。
在本发明中，发射端指的是电磁波发射器，接收端指的是电磁波接收器。
本发明实施例的特点是：通过不同频率的时变电磁场对水进行处理，并对冷却塔金属水池进行针对性腐蚀防护，达到结垢、腐蚀、藻类和细菌控制的目的。同时，通过配备先进的水质在线监测系统、自动排污系统和显示及控制系统，优化处理方案，实现在线监控、智能运行及无人值守。与传统方法相比，具有高效、低能耗及环保的特点。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。
Claims (7)
1.一种金属冷却塔循环冷却水处理系统，其特征在于：包括特频电磁波激励装置(1)、水质在线监测系统、自动排污系统。
2.根据权利要求1所述的金属冷却塔循环冷却水处理系统，其特征在于：所述特频电磁波激励装置(1)上连接有冷却塔金属水池(3)，所述特频电磁波激励装置(1)上连接电磁波发射器(4)、电磁波接收器(2)，所述电磁波发射器(4)置入冷却塔金属水池(3)中，所述电磁波接收器(2)与冷却塔金属水池(3)导通。
3.根据权利要求1所述的金属冷却塔循环冷却水处理系统，其特征在于：所述水质在线监测系统包括pH值、温度、电导率、氯离子、ORP、钙硬度、腐蚀速率、COD监测。
4.根据权利要求1所述的金属冷却塔循环冷却水处理系统，其特征在于：所述自动排污系统包括电导率控制仪、电磁阀、电动阀、管道过滤器、截止阀、止回阀、流量计。
5.根据权利要求1所述的金属冷却塔循环冷却水处理系统，其特征在于：所述电磁波发射器(4)包括水中发射器(7)，所述水中发射器(7)上连接有增强器(5)，所述增强器(6)上连接有高度调节机构(6)，所述增强器(5)上连接有增强器底座(8)。
6.根据权利要求所述的金属冷却塔循环冷却水处理系统，其特征在于：所述电磁波接收器(2)包括接收装置(11)、接收器安装板(9)、接收器防水接线盒(10)。
7.根据权利要求1所述的金属冷却塔循环冷却水处理系统，其特征在于：所述特频电磁波激励装置(1)还包括电气控制箱箱体(17)、电源模块(9)、印刷电路板、数据采集系统、PLC、显示系统、远程监控系统。
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