CN111693399B - 循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统及监测方法。所述监测系统包括两个回路系统，超滤设备所在回路系统可以将水中悬浮物、微生物、胶体等物质从水出分离除去，利用剩下离子测试结垢速率；电渗析设备所在回路系统可以将水中离子从水出分离除去，利用剩下微生物、有机物、胶体测试沉积速率；所述监测方法通过若干组试验数据，计算得到换热系数，然后得到传热系数的期望，进而得到质量变化量与换热系数之间的线性关系，结合温度传感器、流量传感器、工业计算机可以实时在线计算出结垢速率、沉积速率；本发明试验设备简单，试验方法理论性强，充分满足试验数据的真实有效性。

Description

循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及工业循环冷却水处理技术领域，具体涉及一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统及监测方法。

背景技术

水是人类赖以生存和发展的重要资源，同时水也是一种有限而又无可替代的资源。近年来，随着经济的发展，水的消耗量与日剧增，全球水环境的污染也日趋严重。我国是水资源匮乏的国家，人均占有水资源不足2200立方米。节水形势迫在眉睫。在“十一五”规划刚要中明确提出，在火电、钢铁石油石化、造纸等高能耗行业主要产品单位取水量平均下降20％-40％。

工业冷却水作为用水大户，其使用量占工业用水总量的70％左右，在某些化工企业中，冷却水甚至占用水量的90％-95％以上。工业冷却水自然成为工业节水的主要着眼点。冷却水在循环系统中不断循环使用，特别是敞开式循环水系统，不可避免混入一些矿物质、尘埃、微生物、工业污染物，并且水温度不断上升。伴随着蒸发现象，水中的离子不断浓缩，达到溶解度极限后，无机物过饱和析出无机物垢，无机物垢的导热系数远远低于金属材料，比钢铁的导热系数小数十倍到数百倍；结垢给国民生产造成十分巨大的经济损失，在环保、节水问题日益增强的大环境下，如何判断冷却水是否结垢、结垢倾向问题成为核心难点。

目前大多数行业采取静态试验法、鼓泡法，电力行业通常使用ΔA判断方法。针对循环冷却水系统，静态试验可以判定结垢程度，但无法完全模拟动态过程中循环冷却水系统的状态。部分厂家、研究所拥有动态模拟设备，采用动态模拟设备模拟循环冷却水系统运行，通过监测污垢热阻，计算污垢热阻变化率来判断污垢沉积速率；是无法分辨出影响污垢热阻的沉积物是结垢、微生物、腐蚀、无机物沉积还是有机物沉积等原因所造成的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统，包括循环冷却水系统、超滤设备、电渗析设备、冷却水动态模拟装置A₁、冷却水动态模拟装置A₂、挂片架B₁、挂片架B₂，并通过管路连接成两个回路系统，即超滤设备所在回路系统System1和电渗析设备所在回路系统System2；还包括温度传感器T₁、温度传感器T₂、温度传感器T₃、温度传感器T₄、流量传感器Q₁、流量传感器Q₂、数据采集卡、工业计算机；

超滤设备所在回路系统System1具体表述为：连接循环冷却水系统出水口的管路上安装有三通C₁，通过三通C₁将从循环冷却水系统中流出的循环水分为两路I、II，一路循环水I的管路与超滤设备的进水口相连，超滤设备的出水口通过管路与冷却水动态模拟装置A₁的进水口相连，冷却水动态模拟装置A₁的出水口处安装有三通C₂，将从冷却水动态模拟装置A₁中出来的循环水分为两路I₁、I₂，一路循环水I₁的管路直接连接回循环冷却水系统，另一路循环水I₂的管路连接挂片架B₁的一端，挂片架B₁的另一端通过管路连接回循环冷却水系统；

电渗析设备所在回路系统System2具体表述为：通过三通C₁将从循环冷却水系统中流出的循环水分为两路后，另一路循环水II的管路与电渗析设备的进水口相连，电渗析设备的出水口通过管路与冷却水动态模拟装置A₂的进水口相连，冷却水动态模拟装置A₂的出水口处安装有三通C₃，将从冷却水动态模拟装置A₂中出来的循环水分为两路II₁、II₂，一路循环水II₁的管路直接连接回循环冷却水系统，另一路循环水II₂的管路连接挂片架B₂的一端，挂片架B₂的另一端通过管路连接回循环冷却水系统；

温度传感器T₁安装在冷却水动态模拟装置A₁与超滤设备之间的管路上，温度传感器T₂、流量传感器Q₁均安装在冷却水动态模拟装置A₁与挂片架B₁之间的管路上，温度传感器T₃安装在冷却水动态模拟装置A₂与电渗析设备之间的管路上，温度传感器T₄、流量传感器Q₂均安装在冷却水动态模拟装置A₂与挂片架B₂之间的管路上，温度传感器T₁～T₄以及流量传感器Q₁～Q₂分别通过与插装在工业计算机上的数据采集卡电连接；

在循环冷却水系统的出水口与三通C₁之间的管路上安装有阀门D₁，在三通C₁与超滤设备之间的管路上安装有阀门D₂，在三通C₁与电渗析设备之间的管路上安装有阀门D₃，当阀门D₁、阀门D₂为开的状态时，循环冷却水系统中的循环水顺着管路流经系统System1；当阀门D₁、阀门D₃为开的状态时，循环冷却水系统中的循环水顺着管路流经系统System2；

冷却水动态模拟装置基于HG/T 2160 2008冷却水动态模拟方法，对循环水进行热交换处理；

数据采集卡用于接收温度传感器T₁～T₄采集的实时温度值，以及流量传感器Q₁～Q₂采集的实时流量值；

工业计算机用于存储数据采集卡接收的实时温度值、实时流量值，并根据实时温度值、实时流量值计算得到循环水的结垢速率、沉积速率，然后显示在工业计算机上；

挂片架的外壳采用有机玻璃制作，挂片架上挂有标准腐蚀片，当透过有机玻璃观察到标准腐蚀片有腐蚀现象发生时，需向循环水中投加腐蚀剂。

一种采用循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统的监测方法，包括以下步骤：

步骤1：试验开始前，将标准试管S₁安装在冷却水动态模拟装置A₁内的试管架上，将标准试管S₂安装在冷却水动态模拟装置A₂内的试管架上，记录试验前空试管S₁、S₂的质量；

步骤2：试验开始时打开阀门，循环冷却水系统中的循环水分为两路，一路顺着管路流经超滤所在回路系统System1，经超滤设备进行过滤处理之后，再经过冷却水动态模拟装置A₁进行热交换处理；另一路顺着管路流经电渗析设备所在回路系统System2，经电渗析设备进行电渗析去离子处理之后，再经过冷却水动态模拟装置A₂进行热交换处理；

步骤3：通过温度传感器T₁采集未进入冷却水动态模拟装置A₁之前的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₂采集从冷却水动态模拟装置A₁流出后的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₃采集未进入冷却水动态模拟装置A₂之前的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₄采集从冷却水动态模拟装置A₂流出后的循环水的实时温度值，通过流量传感器Q₁采集从冷却水动态模拟装置A₁流出后的循环水的实时流量值，通过流量传感器Q₂采集从冷却水动态模拟装置A₂流出后的循环水的实时流量值，并将采集到的实时温度值、实时流量值通过数据采集卡传输给工业计算机；

步骤4：当试验时间达到预设试验周期时，试验结束，关闭阀门，取下试管S₁、试管S₂，干燥后称重，记录结垢后的试管S₁质量，以及沉积后的试管S₂质量；

步骤5：重复步骤1～步骤4，进行n次试验采集试验数据，所述试验数据包括实时温度值、实时流量值；

步骤6：通过工业计算机计算水侧污垢-传热系数的均值，以及水侧沉积-传热系数的均值；

步骤7：通过工业计算机计算循环水的结垢速率、沉积速率，以及结垢速率的置信区间、沉积速率的置信区间，包括：

当均值

的具体数值确定后，将

的具体数值带入公式(1)用于计算循环水的结垢速率dm₁，

式中，dK₁表示试验时相邻两组采样数据计算得到的系统System1的换热系数变化量，计算dK₁所用的相邻两组采样数据包括：通过温度传感器T₁采集的两个相邻实时温度值，通过温度传感器T₂采集的两个相邻实时温度值，通过流量传感器Q₁采集的两个相邻实时流量值；

则结垢速率dm₁的置信水平为95％的置信区间为

当均值

的具体数值确定后，将

的具体数值带入公式(2)用于计算循环水的沉积速率dm₂，

式中，dK₂表示试验时相邻两组采样数据计算得到的系统System2的换热系数变化量，计算dK₂所用的相邻两组采样数据包括：通过温度传感器T₃采集的两个相邻实时温度值，通过温度传感器T₄采集的两个相邻实时温度值，通过流量传感器Q₂采集的两个相邻实时流量值；

则沉积速率dm₂的置信水平为95％的置信区间为

所述步骤6包括：

步骤6.1：根据公式(3)～公式(5)计算系统System1的换热系数，

式中，d_1,j表示第j次试验时所用标准试管S₁的内径，l_1,j表示第j次试验时所用标准试管S₁的有效换热长度，T表示蒸汽温度，t_1,1,j表示第j次试验时温度传感器T₁采集的第1个实时温度值，t_2,1,j表示第j次试验时温度传感器T₂采集的第1个实时温度值，r_1,1,j表示第j次试验时计算得到的标准试管S₁的热阻值，t_1,i,j表示第j次试验时温度传感器T₁采集的第i个实时温度值，t_2,i,j表示第j次试验时温度传感器T₂采集的第i个实时温度值，q_1,1,j表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第1个实时流量值，q_1,i,j表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第i个实时流量值，r_s1,i,j表示第j次试验时计算得到的第i个瞬时污垢热阻值，K_1,i,j表示第j次试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m表示每次试验时的预设采样个数，n表示试验次数；

根据公式(6)～(8)计算系统System2的换热系数，

式中，d_2,j表示第j次试验时所用标准试管S₂的内径，l_2,j表示第j次试验时所用标准试管S₂的有效换热长度，t_3,1,j表示第j次试验时温度传感器T₃采集的第1个实时温度值，t_4,1,j表示第j次试验时温度传感器T₄采集的第1个实时温度值，r_2,1,j表示第j次试验时计算得到的标准试管S₂的热阻值，t_3,i,j表示第j次试验时温度传感器T₃采集的第i个实时温度值，t_4,i,j表示第j次试验时温度传感器T₄采集的第i个实时温度值，q_2,1,j表示第j次试验时流量传感器Q₂采集的第1个实时流量值，q_2,i,j表示第j次试验时流量传感器Q₂采集的第i个实时流量值，r_s2,i,j表示第j次试验时计算得到的第i个瞬时沉积热阻值，K_2,i,j表示第j次试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；

步骤6.2：利用公式(9)计算出第j次试验时系统System1的换热系数变化量△K_1,j，

△K_1,j＝K_1,i＝m,j-K_1,i＝1,j (9)

式中，K_1,i＝m,j表示第j次试验时根据第m组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，K_1,i＝1,j表示第j次试验时根据第1组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，计算△K_1,j时的每组采样数据包括温度传感器T₁、温度传感器T₂、流量传感器Q₁的采样数据；

利用公式(10)计算出第j次试验时系统System2的换热系数变化量△K_2,j，

△K_2,j＝K_2,i＝m,j-K_2,i＝1,j (10)

式中，K_2,i＝m,j表示第j次试验时根据第m组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，K_2,i＝1,j表示第j次试验时根据第1组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，计算△K_2,j时的每组采样数据包括温度传感器T₃、温度传感器T₄、流量传感器Q₂的采样数据；

步骤6.3：利用公式(11)计算出第j次试验时系统System1的水侧污垢-传热系数μ_1,j，

式中，M′_1,j表示第j次试验时结垢后的试管S₁质量，M_1,j表示第j次试验时空试管S₁的质量；

利用公式(12)计算出第j次试验时系统System2的水侧沉积-传热系数μ_2,j，

式中，M′_2,j表示第j次试验时沉积后的试管S₂质量，M_2,j表示第j次试验时空试管S₂的质量；

步骤6.4：重复步骤6.1～步骤6.3，计算出n次试验中系统System1的水侧污垢-传热系数{μ_1,1,μ_1,2,…,μ_1,j,…,μ_1,n}、系统System2的水侧沉积-传热系数{μ_2,1,μ_2,2,…,μ_2,j,…,μ_2,n}；

步骤6.5：利用公式(13)、公式(14)分别计算水侧污垢-传热系数的均值

标准差σ₁，

对于水侧污垢-传热系数{μ_1,1,μ_1,2,…,μ_1,j,…,μ_1,n}满足正态分布，则均值

的置信水平为95％的置信区间为

根据标准正态分布表查得γ_(1-0.05/2)＝1.96；

利用公式(15)、公式(16)分别计算水侧沉积-传热系数的均值

标准差σ₂，

对于水侧沉积-传热系数{μ_2,1,μ_2,2,…,μ_2,j,…,μ_2,n}满足正态分布，则均值

的置信水平为95％的置信区间为

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统及监测方法，1)所述监测系统包括两个回路系统，超滤设备所在回路系统可以将水中悬浮物、微生物、胶体等物质从水出分离除去，利用剩下离子测试结垢速率，可以有效避免测试试管壁、测试挂片表面上有微生物、悬浮物沉积，防止影响污垢热阻值；电渗析设备所在回路系统可以将水中离子从水出分离除去，利用剩下微生物、有机物、胶体测试沉积速率；再者结合传感器方便实时采集实验数据；2)安装有冷却水动态模拟装置，通过调节流经冷却水动态模拟装置蒸汽的热量，使得蒸汽的热量值与冷却水动态模拟装置中换热设备的实际运行值相匹配，试验过程贴合实际工况；3)所述监测方法通过多次实验统计数据，得到传热系数的统计值，进而得到质量变化与换热系数之间的线性关系，借助工业计算机可以实时在线计算出结垢速率、沉积速率，通过无线传输设备还可以直接将结果发送给管理者，试验设备简单，试验方法理论性强，充分满足试验数据的真实有效性。

附图说明

图1为本发明中循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。

如图1所示，一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统，包括循环冷却水系统、超滤设备、电渗析设备、冷却水动态模拟装置A₁、冷却水动态模拟装置A₂、挂片架B₁、挂片架B₂，并通过管路连接成两个回路系统，即超滤设备所在回路系统System1和电渗析设备所在回路系统System2；还包括温度传感器T₁、温度传感器T₂、温度传感器T₃、温度传感器T₄、流量传感器Q₁、流量传感器Q₂、数据采集卡、工业计算机；

超滤设备所在回路系统System1具体表述为：连接循环冷却水系统出水口的管路上安装有三通C₁，通过三通C₁将从循环冷却水系统中流出的循环水分为两路I、II，一路循环水I的管路与超滤设备的进水口相连，超滤设备的出水口通过管路与冷却水动态模拟装置A₁的进水口相连，冷却水动态模拟装置A₁的出水口处安装有三通C₂，将从冷却水动态模拟装置A₁中出来的循环水分为两路I₁、I₂，一路循环水I₁的管路直接连接回循环冷却水系统，另一路循环水I₂的管路连接挂片架B₁的一端，挂片架B₁的另一端通过管路连接回循环冷却水系统；

电渗析设备所在回路系统System2具体表述为：通过三通C₁将从循环冷却水系统中流出的循环水分为两路后，另一路循环水II的管路与电渗析设备的进水口相连，电渗析设备的出水口通过管路与冷却水动态模拟装置A₂的进水口相连，冷却水动态模拟装置A₂的出水口处安装有三通C₃，将从冷却水动态模拟装置A₂中出来的循环水分为两路II₁、II₂，一路循环水II₁的管路直接连接回循环冷却水系统，另一路循环水II₂的管路连接挂片架B₂的一端，挂片架B₂的另一端通过管路连接回循环冷却水系统；

温度传感器T₁安装在冷却水动态模拟装置A₁与超滤设备之间的管路上，温度传感器T₂、流量传感器Q₁均安装在冷却水动态模拟装置A₁与挂片架B₁之间的管路上，温度传感器T₃安装在冷却水动态模拟装置A₂与电渗析设备之间的管路上，温度传感器T₄、流量传感器Q₂均安装在冷却水动态模拟装置A₂与挂片架B₂之间的管路上，温度传感器T₁～T₄以及流量传感器Q₁～Q₂分别通过与插装在工业计算机上的数据采集卡电连接；

在循环冷却水系统的出水口与三通C₁之间的管路上安装有阀门D₁，在三通C₁与超滤设备之间的管路上安装有阀门D₂，在三通C₁与电渗析设备之间的管路上安装有阀门D₃，当阀门D₁、阀门D₂为开的状态时，循环冷却水系统中的循环水顺着管路流经系统System1；当阀门D₁、阀门D₃为开的状态时，循环冷却水系统中的循环水顺着管路流经系统System2；

冷却水动态模拟装置基于HG/T 2160 2008冷却水动态模拟方法，对循环水进行热交换处理；

数据采集卡用于接收温度传感器T₁～T₄采集的实时温度值，以及流量传感器Q₁～Q₂采集的实时流量值；

工业计算机用于存储数据采集卡接收的实时温度值、实时流量值，并根据实时温度值、实时流量值计算得到循环水的结垢速率、沉积速率，然后显示在工业计算机上；

所述根据实时温度值、实时流量值计算得到循环水的结垢速率、沉积速率，具体表述为：

步骤6.1：根据公式(3)～公式(5)计算系统System1的换热系数，

式中，d_1,j表示第j次试验时所用标准试管S₁的内径，l_1,j表示第j次试验时所用标准试管S₁的有效换热长度，T表示蒸汽温度，t_1,1,j表示第j次试验时温度传感器T₁采集的第1个实时温度值，t_2,1,j表示第j次试验时温度传感器T₂采集的第1个实时温度值，r_1,1,j表示第j次试验时计算得到的标准试管S₁的热阻值，t_1,i,j表示第j次试验时温度传感器T₁采集的第i个实时温度值，t_2,i,j表示第j次试验时温度传感器T₂采集的第i个实时温度值，q_1,1,j表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第1个实时流量值，q_1,i,j表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第i个实时流量值，r_s1,i,j表示第j次试验时计算得到的第i个瞬时污垢热阻值，K_1,i,j表示第j次试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m表示每次试验时的预设采样个数，n表示试验次数；

根据公式(6)～(8)计算系统System2的换热系数，

式中，d_2,j表示第j次试验时所用标准试管S₂的内径，l_2,j表示第j次试验时所用标准试管S₂的有效换热长度，t_3,1,j表示第j次试验时温度传感器T₃采集的第1个实时温度值，t_4,1,j表示第j次试验时温度传感器T₄采集的第1个实时温度值，r_2,1,j表示第j次试验时计算得到的标准试管S₂的热阻值，t_3,i,j表示第j次试验时温度传感器T₃采集的第i个实时温度值，t_4,i,j表示第j次试验时温度传感器T₄采集的第i个实时温度值，q_2,1,j表示第j次试验时流量传感器Q₂采集的第1个实时流量值，q_2,i,j表示第j次试验时流量传感器Q₂采集的第i个实时流量值，r_s2,i,j表示第j次试验时计算得到的第i个瞬时沉积热阻值，K_2,i,j表示第j次试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；

步骤6.2：利用公式(9)计算出第j次试验时系统System1的换热系数变化量△K_1,j，

△K_1,j＝K_1,i＝m,j-K_1,i＝1,j (9)

式中，K_1,i＝m,j表示第j次试验时根据第m组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，K_1,i＝1,j表示第j次试验时根据第1组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，计算△K_1,j时的每组采样数据包括温度传感器T₁、温度传感器T₂、流量传感器Q₁的采样数据；

利用公式(10)计算出第j次试验时系统System2的换热系数变化量△K_2,j，

△K_2,j＝K_2,i＝m,j-K_2,i＝1,j (10)

式中，K_2,i＝m,j表示第j次试验时根据第m组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，K_2,i＝1,j表示第j次试验时根据第1组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，计算△K_2,j时的每组采样数据包括温度传感器T₃、温度传感器T₄、流量传感器Q₂的采样数据；

步骤6.3：利用公式(11)计算出第j次试验时系统System1的水侧污垢-传热系数μ_1,j，

式中，M′_1,j表示第j次试验时结垢后的试管S₁质量，M_1,j表示第j次试验时空试管S₁的质量；

利用公式(12)计算出第j次试验时系统System2的水侧沉积-传热系数μ_2,j，

式中，M′_2,j表示第j次试验时沉积后的试管S₂质量，M_2,j表示第j次试验时空试管S₂的质量；

步骤6.4：重复步骤6.1～步骤6.3，计算出n次试验中系统System1的水侧污垢-传热系数{μ_1,1,μ_1,2,…,μ_1,j,…,μ_1,n}、系统System2的水侧沉积-传热系数{μ_2,1,μ_2,2,…,μ_2,j,…,μ_2,n}；

步骤6.5：利用公式(13)、公式(14)分别计算水侧污垢-传热系数的均值

标准差σ₁，

对于水侧污垢-传热系数{μ_1,1,μ_1,2,…,μ_1,j,…,μ_1,n}满足正态分布，则均值

的置信水平为95％的置信区间为

根据标准正态分布表查得γ_(1-0.052)＝1.96；

利用公式(15)、公式(16)分别计算水侧沉积-传热系数的均值

标准差σ₂，

对于水侧沉积-传热系数{μ_2,1,μ_2,2,…,μ_2,j,…,μ_2,n}满足正态分布，则均值μ₂的置信水平为95％的置信区间为

当均值

的具体数值确定后，将

的具体数值带入公式(1)用于计算循环水的结垢速率dm₁，

式中，dK₁表示试验时相邻两组采样数据计算得到的系统System1的换热系数变化量，计算dK₁所用的相邻两组采样数据包括：通过温度传感器T₁采集的两个相邻实时温度值，通过温度传感器T₂采集的两个相邻实时温度值，通过流量传感器Q₁采集的两个相邻实时流量值；

则结垢速率dm₁的置信水平为95％的置信区间为

当均值

的具体数值确定后，将

的具体数值带入公式(2)用于计算循环水的沉积速率dm₂，

式中，dK₂表示试验时相邻两组采样数据计算得到的系统System2的换热系数变化量，计算dK₂所用的相邻两组采样数据包括：通过温度传感器T₃采集的两个相邻实时温度值，通过温度传感器T₄采集的两个相邻实时温度值，通过流量传感器Q₂采集的两个相邻实时流量值；

则沉积速率dm₂的置信水平为95％的置信区间为

挂片架的外壳采用有机玻璃制作，挂片架上挂有标准腐蚀片，当透过有机玻璃观察到标准腐蚀片有腐蚀现象发生时，需向循环水中投加腐蚀剂，为了投加腐蚀剂方便，可以在循环冷却水系统的出水口与三通C₁之间的管路上安装腐蚀剂投加装置。

为了防止超滤设备的模组件受到循环水中污染物的污染，可以安装一套备用的超滤设备、电渗析设备。

本实施例中采用的各元器件型号如下：温度传感器为RTD，流量传感器为罗斯蒙特8700，工业计算机为研华IPC-610/PCA-6010VG，数据采集卡为研华PCL-725/16 16通道继电器输出与隔离D/I，冷却水动态模拟装置根据HG/T 2160 2008标准设计，包括蒸汽系统、模拟换热器，从厂区接过来的蒸汽管道内通有蒸汽，从模拟换热器的蒸汽进口进入后，经冷却水冷却后形成的水从模拟换热器的出口排出，热量由蒸汽转移给冷却水，冷却水从模拟换热器的冷却水入口进入，从冷却水的出口排出，试验时采集循环水试样所用的标准试管S₁、S₂安装在换热器内的试管架上，标准试管S₁、S₂的材质同现场使用的换热器材质相同。

采用上述监测系统的监测方法，借助MATLAB编程实现所述监测方法，包括如下步骤：

步骤1：试验开始前，将标准试管S₁安装在冷却水动态模拟装置A₁内的试管架上，将标准试管S₂安装在冷却水动态模拟装置A₂内的试管架上，记录试验前空试管S₁、S₂的质量；

步骤2：试验开始时打开阀门，循环冷却水系统中的循环水分为两路，一路顺着管路流经超滤所在回路系统System1，经超滤设备进行过滤处理之后，再经过冷却水动态模拟装置A₁进行热交换处理；另一路顺着管路流经电渗析设备所在回路系统System2，经电渗析设备进行电渗析去离子处理之后，再经过冷却水动态模拟装置A₂进行热交换处理；

从超滤设备流出的循环水进入冷却水动态模拟装置A₁中的换热器，按照实际生产中的设计参数，设置冷却水动态模拟装置A₁的流量、温度、热负荷参数，从电渗析设备流出的循环水进入冷却水动态模拟装置A₂中的换热器，按照实际生产中的设计参数，设置冷却水动态模拟装置A₂的流量、温度、热负荷参数。

步骤3：通过温度传感器T₁采集未进入冷却水动态模拟装置A₁之前的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₂采集从冷却水动态模拟装置A₁流出后的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₃采集未进入冷却水动态模拟装置A₂之前的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₄采集从冷却水动态模拟装置A₂流出后的循环水的实时温度值，通过流量传感器Q₁采集从冷却水动态模拟装置A₁流出后的循环水的实时流量值，通过流量传感器Q₂采集从冷却水动态模拟装置A₂流出后的循环水的实时流量值，并将采集到的实时温度值、实时流量值通过数据采集卡传输给工业计算机；

步骤4：当试验时间达到预设试验周期(一个试验周期一般为一个月时间)时，试验结束，关闭阀门D₁、D₂、D₃，取下冷却水动态模拟装置A₁内的试管S₁、冷却水动态模拟装置A₂内的试管S₂，干燥后称重，记录结垢后的试管S₁质量，以及沉积后的试管S₂质量；

步骤5：重复步骤1～步骤4，进行n＝12次试验采集试验数据，所述试验数据包括实时温度值、实时流量值；

步骤6：通过工业计算机计算水侧污垢-传热系数的均值，以及水侧沉积-传热系数的均值，具体表述为：

步骤6.1：根据公式(3)～公式(5)计算系统System1的换热系数，

式中，d_1,j表示第j次试验时所用标准试管S₁的内径，l_1,j表示第j次试验时所用标准试管S₁的有效换热长度，T表示蒸汽温度，t_1,1,j表示第j次试验时温度传感器T₁采集的第1个实时温度值，t_2,1,j表示第j次试验时温度传感器T₂采集的第1个实时温度值，r_1,1,j表示第j次试验时计算得到的标准试管S₁的热阻值，t_1,i,j表示第j次试验时温度传感器T₁采集的第i个实时温度值，t_2,i,j表示第j次试验时温度传感器T₂采集的第i个实时温度值，q_1,1,j表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第1个实时流量值，q_1,i,j表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第i个实时流量值，r_s1,i,j表示第j次试验时计算得到的第i个瞬时污垢热阻值，K_1,i,j表示第j次试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m表示每次试验时的预设采样个数，n表示试验次数；

根据公式(6)～(8)计算系统System2的换热系数，

式中，d_2,j表示第j次试验时所用标准试管S₂的内径，l_2,j表示第j次试验时所用标准试管S₂的有效换热长度，t_3,1,j表示第j次试验时温度传感器T₃采集的第1个实时温度值，t_4,1,j表示第j次试验时温度传感器T₄采集的第1个实时温度值，r_2,1,j表示第j次试验时计算得到的标准试管S₂的热阻值，t_3,i,j表示第j次试验时温度传感器T₃采集的第i个实时温度值，t_4,i,j表示第j次试验时温度传感器T₄采集的第i个实时温度值，q_2,1,j表示第j次试验时流量传感器Q₂采集的第1个实时流量值，q_2,i,j表示第j次试验时流量传感器Q₂采集的第i个实时流量值，r_s2,i,j表示第j次试验时计算得到的第i个瞬时沉积热阻值，K_2,i,j表示第j次试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；

步骤6.2：利用公式(9)计算出第j次试验时系统System1的换热系数变化量△K_1,j，

△K_1,j＝K_1,i＝m,j-K_1,i＝1,j (9)

式中，K_1,i＝m,j表示第j次试验时根据第m组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，K_1,i＝1,j表示第j次试验时根据第1组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，计算△K_1,j时的每组采样数据包括温度传感器T₁、温度传感器T₂、流量传感器Q₁的采样数据；

利用公式(10)计算出第j次试验时系统System2的换热系数变化量△K_2,j，

△K_2,j＝K_2,i＝m,j-K_2,i＝1,j (10)

式中，K_2,i＝m,j表示第j次试验时根据第m组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，K_2,i＝1,j表示第j次试验时根据第1组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，计算△K_2,j时的每组采样数据包括温度传感器T₃、温度传感器T₄、流量传感器Q₂的采样数据；

步骤6.3：利用公式(11)计算出第j次试验时系统System1的水侧污垢-传热系数μ_1,j，

式中，M′_1,j表示第j次试验时结垢后的试管S₁质量，M_1,j表示第j次试验时空试管S₁的质量；

利用公式(12)计算出第j次试验时系统System2的水侧沉积-传热系数μ_2,j，

式中，M′_2,j表示第j次试验时沉积后的试管S₂质量，M_2,j表示第j次试验时空试管S₂的质量；

步骤6.4：重复步骤6.1～步骤6.3，计算出n次试验中系统System1的水侧污垢-传热系数{μ_1,1,μ_1,2,…,μ_1,j,…,μ_1,n}、系统System2的水侧沉积-传热系数{μ_2,1,μ_2,2,…,μ_2,j,…,μ_2,n}；

步骤6.5：利用公式(13)、公式(14)分别计算水侧污垢-传热系数的均值

标准差σ₁，

对于水侧污垢-传热系数{μ_1,1,μ_1,2,…,μ_1,j,…,μ_1,n}满足正态分布，则均值

的置信水平为95％的置信区间为

根据标准正态分布表查得γ_(1-0.05/2)＝1.96；

利用公式(15)、公式(16)分别计算水侧沉积-传热系数的均值

标准差σ₂，

对于水侧沉积-传热系数{μ_2,1,μ_2,2,…,μ_2,j,…,μ_2,n}满足正态分布，则均值μ₂的置信水平为95％的置信区间为

本实施例取试验次数n＝12，经过12次试验的试验数据积累后，可以确定出dm＝μdK中μ的具体数值，当μ给出具体数值后就可以看作为已知常数，则上述公式中的dK与dM的线性关系就可以确定了，后期试验时，只要通过试验计算出dK的具体数值，就能直接得到dM的具体数值了，dK表示试验时相邻两组采样数据计算得到的换热系数变化量，dM表示所用试管在试验前后的质量变化量。

步骤7：通过工业计算机计算循环水的结垢速率、沉积速率，以及结垢速率的置信区间、沉积速率的置信区间，包括：

当均值

的具体数值确定后，将

的具体数值带入公式(1)用于计算循环水的结垢速率dm₁，

式中，dK₁表示试验时相邻两组采样数据计算得到的系统System1的换热系数变化量，计算dK₁所用的相邻两组采样数据包括：通过温度传感器T₁采集的两个相邻实时温度值，通过温度传感器T₂采集的两个相邻实时温度值，通过流量传感器Q₁采集的两个相邻实时流量值；

则结垢速率dm₁的置信水平为95％的置信区间为

其中，dK₁的具体计算原理与系统System1换热系数变化量的计算过程类似，具体表述为：

式中，d₁表示试验时所用标准试管S₁的内径，l₁表示试验时所用标准试管S₁的有效换热长度，T表示蒸汽温度，t_1,1表示试验时温度传感器T₁采集的第1个实时温度值，t_2,1表示试验时温度传感器T₂采集的第1个实时温度值，r_1,1表示试验时计算得到的标准试管S₁的热阻值，t_1,i表示试验时温度传感器T₁采集的第i个实时温度值，t_2,i表示试验时温度传感器T₂采集的第i个实时温度值，q_1,1表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第1个实时流量值，q_1,i表示试验时流量传感器Q₁采集的第i个实时流量值，r_s1,i表示试验时计算得到的第i个瞬时污垢热阻值，K_1,i表示试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，i＝1,2,…,m，m表示每次试验时的预设采样个数；

dK₁＝K_1,i-K_1,i-1

当均值

的具体数值确定后，将

的具体数值带入公式(2)用于计算循环水的沉积速率dm₂，

式中，dK₂表示试验时相邻两组采样数据计算得到的系统System2的换热系数变化量，计算dK₂所用的相邻两组采样数据包括：通过温度传感器T₃采集的两个相邻实时温度值，通过温度传感器T₄采集的两个相邻实时温度值，通过流量传感器Q₂采集的两个相邻实时流量值；

则沉积速率dm₂的置信水平为95％的置信区间为

其中，dK₂的具体计算原理与系统System2换热系数变化量的计算过程类似，具体表述为：

式中，d₂表示试验时所用标准试管S₂的内径，l₂表示试验时所用标准试管S₂的有效换热长度，t_3,1表示试验时温度传感器T₃采集的第1个实时温度值，t_4,1表示试验时温度传感器T₄采集的第1个实时温度值，r_2,1表示试验时计算得到的标准试管S₂的热阻值，t_3,i表示试验时温度传感器T₃采集的第i个实时温度值，t_4,i表示试验时温度传感器T₄采集的第i个实时温度值，q_2,1表示试验时流量传感器Q₂采集的第1个实时流量值，q_2,i表示试验时流量传感器Q₂采集的第i个实时流量值，r_s2,i表示试验时计算得到的第i个瞬时沉积热阻值，K_2,i表示试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，i＝1,2,…,m；

dK₂＝K_2,i-K_2,i-1

上述试验结果分析：

(1)令λ₁＝1/dK₁，λ₂＝1/dK₂，通过MATLAB绘制λ₁、λ₂的曲线图，若λ₁、λ₂的增长速率符合用户需求，则可按照当前生产操作继续执行即可；若不满足，可通过调整阻垢分散剂投加量，减少无机物垢沉积。

(2)通过若干组数据计算出的传热系数，若符合用户需求，则可按照当前生产操作继续执行即可，也可将传热系数的具体数值用于后期试验计算中；若不满足，可通过调整杀菌剥离剂和分散剂投加量，减少无机物垢沉积，以满足试验数据的采集需求。

Claims (7)

1.一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统，其特征在于，包括循环冷却水系统、超滤设备、电渗析设备、冷却水动态模拟装置A₁、冷却水动态模拟装置A₂、挂片架B₁、挂片架B₂，并通过管路连接成两个回路系统，即超滤设备所在回路系统System1和电渗析设备所在回路系统System2；还包括温度传感器T₁、温度传感器T₂、温度传感器T₃、温度传感器T₄、流量传感器Q₁、流量传感器Q₂、数据采集卡、工业计算机；

超滤设备所在回路系统System1具体表述为：连接循环冷却水系统出水口的管路上安装有三通C₁，通过三通C₁将从循环冷却水系统中流出的循环水分为两路I、II，一路循环水I的管路与超滤设备的进水口相连，超滤设备的出水口通过管路与冷却水动态模拟装置A₁的进水口相连，冷却水动态模拟装置A₁的出水口处安装有三通C₂，将从冷却水动态模拟装置A₁中出来的循环水分为两路I₁、I₂，一路循环水I₁的管路直接连接回循环冷却水系统，另一路循环水I₂的管路连接挂片架B₁的一端，挂片架B₁的另一端通过管路连接回循环冷却水系统；

电渗析设备所在回路系统System2具体表述为：通过三通C₁将从循环冷却水系统中流出的循环水分为两路后，另一路循环水II的管路与电渗析设备的进水口相连，电渗析设备的出水口通过管路与冷却水动态模拟装置A₂的进水口相连，冷却水动态模拟装置A₂的出水口处安装有三通C₃，将从冷却水动态模拟装置A₂中出来的循环水分为两路II₁、II₂，一路循环水II₁的管路直接连接回循环冷却水系统，另一路循环水II₂的管路连接挂片架B₂的一端，挂片架B₂的另一端通过管路连接回循环冷却水系统；

温度传感器T₁安装在冷却水动态模拟装置A₁与超滤设备之间的管路上，温度传感器T₂、流量传感器Q₁均安装在冷却水动态模拟装置A₁与挂片架B₁之间的管路上，温度传感器T₃安装在冷却水动态模拟装置A₂与电渗析设备之间的管路上，温度传感器T₄、流量传感器Q₂均安装在冷却水动态模拟装置A₂与挂片架B₂之间的管路上，温度传感器T₁～T₄以及流量传感器Q₁～Q₂分别与插装在工业计算机上的数据采集卡电连接；

在循环冷却水系统的出水口与三通C₁之间的管路上安装有阀门D₁，在三通C₁与超滤设备之间的管路上安装有阀门D₂，在三通C₁与电渗析设备之间的管路上安装有阀门D₃，当阀门D₁、阀门D₂为开的状态时，循环冷却水系统中的循环水顺着管路流经系统System1；当阀门D₁、阀门D₃为开的状态时，循环冷却水系统中的循环水顺着管路流经系统System2。

2.根据权利要求1所述的一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统，其特征在于，所述的冷却水动态模拟装置基于HG/T 2160 2008冷却水动态模拟方法，对循环水进行热交换处理。

3.根据权利要求1所述的一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统，其特征在于，所述的数据采集卡用于接收温度传感器T₁～T₄采集的实时温度值，以及流量传感器Q₁～Q₂采集的实时流量值。

4.根据权利要求1所述的一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统，其特征在于，所述的工业计算机用于存储数据采集卡接收的实时温度值、实时流量值，并根据实时温度值、实时流量值计算得到循环水的结垢速率、沉积速率，然后显示在工业计算机上。

5.根据权利要求1所述的一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统，其特征在于，所述挂片架的外壳采用有机玻璃制作，挂片架上挂有标准腐蚀片，当透过有机玻璃观察到标准腐蚀片有腐蚀现象发生时，需向循环水中投加腐蚀剂。

6.一种采用权利要求1～5任意一项所述的一种循环冷却水结垢速率、沉积速率监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：试验开始前，将标准试管S₁安装在冷却水动态模拟装置A₁内的试管架上，将标准试管S₂安装在冷却水动态模拟装置A₂内的试管架上，记录试验前空试管S₁、S₂的质量；

步骤2：试验开始时打开阀门，循环冷却水系统中的循环水分为两路，一路顺着管路流经超滤设备所在回路系统System1，经超滤设备进行过滤处理之后，再经过冷却水动态模拟装置A₁进行热交换处理；另一路顺着管路流经电渗析设备所在回路系统System2，经电渗析设备进行电渗析去离子处理之后，再经过冷却水动态模拟装置A₂进行热交换处理；

步骤3：通过温度传感器T₁采集未进入冷却水动态模拟装置A₁之前的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₂采集从冷却水动态模拟装置A₁流出后的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₃采集未进入冷却水动态模拟装置A₂之前的循环水的实时温度值，通过温度传感器T₄采集从冷却水动态模拟装置A₂流出后的循环水的实时温度值，通过流量传感器Q₁采集从冷却水动态模拟装置A₁流出后的循环水的实时流量值，通过流量传感器Q₂采集从冷却水动态模拟装置A₂流出后的循环水的实时流量值，并将采集到的实时温度值、实时流量值通过数据采集卡传输给工业计算机；

步骤4：当试验时间达到预设试验周期时，试验结束，关闭阀门，取下试管S₁、试管S₂，干燥后称重，记录结垢后的试管S₁质量，以及沉积后的试管S₂质量；

步骤5：重复步骤1～步骤4，进行n次试验采集试验数据，所述试验数据包括实时温度值、实时流量值；

步骤6：通过工业计算机计算水侧污垢-传热系数的均值，以及水侧沉积-传热系数的均值；

步骤7：通过工业计算机计算循环水的结垢速率、沉积速率，以及结垢速率的置信区间、沉积速率的置信区间，包括：

当均值

的具体数值确定后，将

的具体数值带入公式(1)用于计算循环水的结垢速率dm₁，

式中，dK₁表示试验时相邻两组采样数据计算得到的系统System1的换热系数变化量，计算dK₁所用的相邻两组采样数据包括：通过温度传感器T₁采集的两个相邻实时温度值，通过温度传感器T₂采集的两个相邻实时温度值，通过流量传感器Q₁采集的两个相邻实时流量值；

则结垢速率dm₁的置信水平为95％的置信区间为

当均值

的具体数值确定后，将

的具体数值带入公式(2)用于计算循环水的沉积速率dm₂，

式中，dK₂表示试验时相邻两组采样数据计算得到的系统System2的换热系数变化量，计算dK₂所用的相邻两组采样数据包括：通过温度传感器T₃采集的两个相邻实时温度值，通过温度传感器T₄采集的两个相邻实时温度值，通过流量传感器Q₂采集的两个相邻实时流量值；

则沉积速率dm₂的置信水平为95％的置信区间为

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述步骤6包括：

步骤6.1：根据公式(3)～公式(5)计算系统System1的换热系数，

式中，d_1,j表示第j次试验时所用标准试管S₁的内径，l_1,j表示第j次试验时所用标准试管S₁的有效换热长度，T表示蒸汽温度，t_1,1,j表示第j次试验时温度传感器T₁采集的第1个实时温度值，t_2,1,j表示第j次试验时温度传感器T₂采集的第1个实时温度值，r_1,1,j表示第j次试验时计算得到的标准试管S₁的热阻值，t_1,i,j表示第j次试验时温度传感器T₁采集的第i个实时温度值，t_2,i,j表示第j次试验时温度传感器T₂采集的第i个实时温度值，q_1,1,j表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第1个实时流量值，q_1,i,j表示第j次试验时流量传感器Q₁采集的第i个实时流量值，r_s1,i,j表示第j次试验时计算得到的第i个瞬时污垢热阻值，K_1,i,j表示第j次试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m表示每次试验时的预设采样个数，n表示试验次数；

根据公式(6)～(8)计算系统System2的换热系数，

式中，d_2,j表示第j次试验时所用标准试管S₂的内径，l_2,j表示第j次试验时所用标准试管S₂的有效换热长度，t_3,1,j表示第j次试验时温度传感器T₃采集的第1个实时温度值，t_4,1,j表示第j次试验时温度传感器T₄采集的第1个实时温度值，r_2,1,j表示第j次试验时计算得到的标准试管S₂的热阻值，t_3,i,j表示第j次试验时温度传感器T₃采集的第i个实时温度值，t_4,i,j表示第j次试验时温度传感器T₄采集的第i个实时温度值，q_2,1,j表示第j次试验时流量传感器Q₂采集的第1个实时流量值，q_2,i,j表示第j次试验时流量传感器Q₂采集的第i个实时流量值，r_s2,i,j表示第j次试验时计算得到的第i个瞬时沉积热阻值，K_2,i,j表示第j次试验时根据第i组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；

步骤6.2：利用公式(9)计算出第j次试验时系统System1的换热系数变化量△K_1,j，

△K_1,j＝K_1,i＝m,j-K_1,i＝1,j (9)

式中，K_1,i＝m,j表示第j次试验时根据第m组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，K_1,i＝1,j表示第j次试验时根据第1组采样数据计算得到的系统System1的换热系数，计算△K_1,j时的每组采样数据包括温度传感器T₁、温度传感器T₂、流量传感器Q₁的采样数据；

利用公式(10)计算出第j次试验时系统System2的换热系数变化量△K_2,j，

△K_2,j＝K_2,i＝m,j-K_2,i＝1,j (10)

式中，K_2,i＝m,j表示第j次试验时根据第m组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，K_2,i＝1,j表示第j次试验时根据第1组采样数据计算得到的系统System2的换热系数，计算△K_2,j时的每组采样数据包括温度传感器T₃、温度传感器T₄、流量传感器Q₂的采样数据；

步骤6.3：利用公式(11)计算出第j次试验时系统System1的水侧污垢-传热系数μ_1,j，

式中，M′_1,j表示第j次试验时结垢后的试管S₁质量，M_1,j表示第j次试验时空试管S₁的质量；

利用公式(12)计算出第j次试验时系统System2的水侧沉积-传热系数μ_2,j，

式中，M'_2,j表示第j次试验时沉积后的试管S₂质量，M_2,j表示第j次试验时空试管S₂的质量；

步骤6.4：重复步骤6.1～步骤6.3，计算出n次试验中系统System1的水侧污垢-传热系数{μ_1,1,μ_1,2,…,μ_1,j,…,μ_1,n}、系统System2的水侧沉积-传热系数{μ_2,1,μ_2,2,…,μ_2,j,…,μ_2,n}；

步骤6.5：利用公式(13)、公式(14)分别计算水侧污垢-传热系数的均值

标准差σ₁，

对于水侧污垢-传热系数{μ_1，1,μ_1，2,…,μ_1，j,…,μ_1，n}满足正态分布，则均值

的置信水平为95％的置信区间为

根据标准正态分布表查得γ_(1-0.05/2)＝1.96；

利用公式(15)、公式(16)分别计算水侧沉积-传热系数的均值

标准差σ₂，

对于水侧沉积-传热系数{μ_2,1,μ_2,2,…,μ_2,j,…,μ_2,n}满足正态分布，则均值

的置信水平为95％的置信区间为

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