JP2010247063A

JP2010247063A - 冷却水薬品の注入制御方法及び装置

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Publication number: JP2010247063A
Application number: JP2009098826A
Authority: JP
Inventors: Shohei Shobu; 昌平菖蒲; Yoshiteru Miyama; 義輝三山; Isao Matsunaga; 功松永; Kojiro Yanagisawa; 浩次郎柳澤
Original assignee: Ebara Engineering Service Co Ltd
Current assignee: Swing Corp
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: JP5551381B2

Abstract

【課題】冷却水系の運転負荷の変動に合わせて薬品注入量を調整して、冷却水中の薬品濃度を安定又は最適な薬品濃度に注入制御する。
【解決手段】冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御方法において、前記冷却塔の入口及び出口の冷却水温度、又は、熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度又は伝熱面の表面温度を測定し、その温度差から蒸発水量を求め、補給水量を算出し、算出した補給水量に基づいて、防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系に注入することにより、冷却水中の薬品濃度を最適濃度に制御するか、又は、さらに、外気温及び湿球温度（湿度）を測定し、冷却水の入口温度との差から、より正確な蒸発水量を求めて行うか、又は、前記温度差を一定時間ごとに積算し、積算値が設定値に達するごとに蒸発水量を求めて行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、循環水路を形成する冷却水系で用いる防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む薬品の注入制御方法と装置に関する。

冷却水系で起きる障害には、腐食、スケール、スライムなどが挙げられる。
これらの障害を防止するために、防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤などの冷却水処理薬品が使用される。冷却水薬品の効果を持続させるため、冷却水中の薬品濃度を一定濃度以上に保つように薬品注入管理をするが、冷却水系の運転負荷が変動すると、それに伴い冷却水中の薬品濃度が変動する場合がある。
冷却水薬品の注入制御方法としては、放出熱量を計測して薬品注入制御をする方法、補給水量に連動して薬品注入制御をする方法、冷却水の薬品濃度を測定して測定結果を基に薬品注入制御を行う方法などがある。
補給水量に連動して薬品注入制御を行う方法として、冷却水の電気伝導度が設定値より高い時は、ブローを行って補給水を注入し、冷却水の導電率が設定値より低い時は、ブローを停止し、補給水の注入量に合わせて薬剤を注入する方法が知られている（特公昭５７−３８７５号公報）。

冷却水の薬品濃度を測定し、測定結果を基に薬品注入制御を行う方法として、冷却水薬品にトレーサー物質としてリチウムの水溶性塩を添加し、リチウムイオン濃度をリチウムイオン感応物質を用いて測定し、冷却水薬品の濃度管理を行う方法が知られている（特開２００４−４０４５号公報）。
従来の冷却水薬品の注入制方法の問題点として、電気伝導度による制御においては、電気伝導度の上限及び下限をある程度広く取らなければならず、薬品濃度がばらつき細かな制御ができないことや、電気伝導度計への汚れの付着による装置の誤作動や、冷却水中へ空気中の成分溶解による電気伝導率の上昇や、測定箇所による電気伝導度のばらつきなどにより、薬剤濃度の変動が大きくなる等の問題がある。また、トレーサー物質を冷却水薬品へ添加する方法は、コスト高となる。
特公昭５７−３８７５号公報特開２００４−４０４５号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、冷却水系の運転負荷の変動に合わせて薬品注入量を調整することにより、冷却水中の薬品濃度を安定又は最適な薬品濃度に注入制御する方法及び装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明では、冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御方法において、前記冷却塔の入口及び出口の冷却水温度、又は、熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度、又は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の表面温度を測定し、その温度差と外気温及び湿球温度（湿度）と冷却水の入口温度との差から蒸発水量を求め、補給水量を算出し、算出した補給水量に基づいて、防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系に注入することにより、冷却水中の薬品濃度を最適濃度にすることを特徴とする冷却水薬品の注入制御方法としたものである。
それにより、冷却水系に注入する冷却水薬品の過剰注入を抑え、運転負荷の変動に合わせて適正な濃度に制御することができる。

また、本発明では、冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御方法において、前記冷却塔の入口及び出口の冷却水温度、又は、熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度、又は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の表面温度を測定し、その温度差を一定時間ごとに積算し、積算値が設定値に達するごとに蒸発水量を求め、補給水量を算出し、算出した補給水量に基づいて、防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系に注入することにより、冷却水中の薬品濃度を最適濃度に制御することを特徴とする冷却水薬品の注入制御方法としたものである。
それにより、冷却水系に注入する冷却水薬品の過剰注入を抑え、薬品濃度のばらつきを少なくすることができる。

前記冷却水薬品の注入制御方法において、熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度を測定し、出入口の温度におけるＣａＣＯ_３、Ｚｎ（ＯＨ）_２、Ｚｎ_３（ＰＯ_４）_２の溶解度から飽和ｐＨ値を求め、冷却水のｐＨ値と各飽和ｐＨ値の関係から冷却水系が腐食傾向かスケール付着傾向かを判定し、防食剤と防スケール剤の濃度バランスを制御することができる。それにより、防食剤及び防スケール剤の注入量を適正にコントロールし、冷却水系内及び熱交換器の腐食及びスケール付着を防ぐことができる。

また、本発明では、冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御装置において、前記冷却塔入口及び出口の冷却水温度、又は、前記熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度、又は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の表面温度、及び、外気温及び湿球温度（湿度）を測定する手段と、それらの測定した温度の温度差から蒸発水量及び補給水量を算出する演算器と、その演算器の信号を受けて防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系へ注入して冷却水中の薬品濃度を制御する手段とを有する冷却水薬品の注入制御装置としたものである。

さらに、本発明では、冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御装置において、前記冷却塔入口及び出口の冷却水温度、又は、前記熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度、又は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の表面温度、及び、外気温及び湿球温度（湿度）を測定する手段と、それらの測定した温度の温度差を一定時間ごとに積算し、積算値が設定値に達するごとにパルス信号を発信する装置と、パルス信号を受けて蒸発水量及び補給水量を算出する演算器と、その演算器の信号を受けて防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系へ注入して冷却水中の薬品濃度を制御する手段とを有する冷却水薬品の注入制御装置としたものである。

本発明によれば、冷却水中の薬品濃度をほぼ一定に保つことができ、余分な薬品の使用を抑えて防食・防スケール及びスライム抑制が可能となる。また、冷却水系の運転負荷の変動に合わせて、最適な薬品濃度に制御することができる。

本発明は、冷却塔の入口、出口の冷却水温度の差、又は、熱交換器の冷却水又は冷媒の温度差を冷却水系の運転負荷の指標として、防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品の注入量を制御し、冷却水中の薬品濃度を安定又は最適な薬品濃度に注入制御させる方法である。
また、温度差の積算値を指標とすることにより、制御装置をより簡略化させ、冷却水系の負荷変動に対応する薬品注入制御を低コストで実現することができる。
本発明において、冷却水温度測定部は、冷却塔の入口及び出口に設けた測温抵抗体又は熱電対等の温度センサーと温度差計を有し、冷却水の温度差の信号を出力する。さらに、熱交換器の冷却水及び冷媒の入口及び出口の温度を測定、外気温及び湿球温度（湿度）の測定を行い、その信号も出力することができる。

測定した温度差から、蒸発水量及び補給水量を算出する演算器を有し、その演算器の信号を受けて、補給水量を調整する。この補給水量に比例して、薬品を注入する装置により冷却水薬品を注入する。蒸発水量Ｅ及び補給水量Ｍは、下記のように算出できる。
Ｅ＝Ｒ×０．０１×(Δｔ１−Δｔ２×Ｋ) ／５．８
Ｒ：循環水量
Δｔ１:冷却水温度差（冷却水入口温度−冷却水出口温度）
Δｔ２:外気温度差（冷却水入口温度−外気温度）
Ｋ：定数（０．０５〜０．５）通常０．１
Ｍ＝ＮＥ／（Ｎ−１）
Ｎ：濃縮倍数

冷却水温度測定部で測定した温度差Δｔ３を一定時間ごとに積算し、その温度差積算値Δｔ３ｔが設定値に達するごとにパルス信号を発信する装置を有する。パルス信号を受けて蒸発水量を求め、補給水量を調整する。この補給水量に比例して薬品を注入する装置により冷却水薬品を注入する。冷却水温度測定部で測定した温度差Δｔ３及び一定時間ごとに積算した温度差積算値Δｔ３ｔは、下記のように算出できる。
Δｔ３＝Δｔ１−Δｔ２×Ｋ
Δｔ３ｔ＝Δｔ３０＋Δｔ３１＋Δｔ３２‥
Δｔ１:冷却水温度差（冷却水入口温度−冷却水出口温度）
Δｔ２:外気温度差（冷却水入口温度−外気温度）
Ｋ：定数（０．０５〜０．５）通常０．１
Δｔ３ｔ：一定時間ごとの温度差積算値

ＣａＣＯ_３の飽和ｐＨは、冷却水のランゲリア指数の計算方法により、以下のように算出できる。
ｐＨｓ=(９．３＋Ａ＋Ｂ)-(Ｃ＋Ｄ)
Ａ：全固形分から導かれる値
Ｂ：温度から導かれる値
Ｃ：カルシウム硬度から導かれる値
Ｄ：Ｍ−アルカリ度から導かれる値
冷却水のｐＨからｐＨｓを減じた差（ｐＨ−ｐＨｓ）がランゲリア指数であり、ｐＨ−ｐＨｓ＜０の時、冷却水系は腐食傾向であり、ｐＨ−ｐＨｓ＞０の時、冷却水系はスケール付着傾向にある。温度は、熱交換器の冷却水及び冷媒の入口及び出口の温度を測定した値を用いる。全固形分、カルシウム硬度、Ｍ−アルカリ度は補給水の水質分析値に濃縮倍数を乗じて算出する。

Ｚｎの飽和度は、冷却水中のＺｎの理論含有量をその温度でのＺｎの飽和溶解度で割った値である。
Ｚｎの飽和度＝Ｚｎの理論含有量／Ｚｎの飽和溶解度
Ｚｎの飽和度＜1の時、冷却水系は腐食傾向であり、Ｚｎの飽和度＞1の時、冷却水系はスケール付着傾向にある。Ｚｎの飽和溶解度は、熱交換器の冷却水及び冷媒の入口及び出口の温度における飽和溶解度の値を用いる。Ｚｎの理論含有量は、補給水の水質分析値に濃縮倍数を乗じて算出する。
ランゲリア指数とＺｎの飽和度から、冷却水系が腐食傾向であれば防食剤の注入比率を高くし、スケール付着傾向であれば防スケール剤の注入比率を高くして濃度バランスを制御する。

次に、本発明を図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明に用いる冷却水循環装置と冷却水薬品注入装置を示すフロー構成図である。図１において、１は、冷却水と空気とを接触させる開放型冷却塔であり、２は、冷却水に熱を放出する熱交換器である。この冷却塔１と熱交換器２は、配管３、４で連接され、冷却水が循環ポンプ５によって循環されて循環冷却水系を形成している。循環冷却水系には、水を補給する弁６を有する配管７と、循環冷却水の一部をブローする弁８を有する配管９が、配設されている。さらに、循環冷却水系には、冷却水薬品を注入する薬注ポンプ１０を有する薬品タンク１１が配設されている。さらに、冷却水の入口及び出口の水温を計る温度センサー１２、１３、外気温度センサー１４及び冷却水のｐＨを計るｐＨ計１５が設けられて、その信号を受けて、弁６、８及び薬注ポンプ１０を制御する制御装置１６が配設されている。
また、本発明において、入口及び出口の温度を測定する位置を図２の（ａ）〜（ｄ）に示す。図２（ａ）は、冷却塔の入口及び出口の冷却水温度、図２（ｂ）は、熱交換器の入口及び出口の冷却水温度、図２（ｃ）は、熱交換器の入口及び出口の冷媒温度、図２（ｄ）は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の温度のそれぞれの測定位置Ｔである。

実施例１
図１に示した装置を用いて、冷却水系の薬品注入制御を実施した結果を示す。
冷却塔１としては、保有水量２００Ｌ、循環水量３９Ｌ／ｍｉｎ、冷却水入口温度３７℃、冷却水出口温度３２℃、湿球温度２７℃、冷却能力１３．６ｋＷの開放型冷却塔を用いた。熱交換器２としては、伝熱面積１９０ｃｍ^２、伝熱面設定温度６０℃、チューブ内径３４ｍｍを用いた。運転条件として、補給水として袖ヶ浦市水道水（ｐＨ７．０、電気伝導度３０ｍＳ／ｍ、カルシウム硬度６４ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ、塩化物イオン２９ｍｇ−Ｃｌ⁻／Ｌ、シリカ２５ｍｇ−ＳｉＯ_２／Ｌ）を用い、５倍濃縮で運転した。これらの条件で、本方式を用いて運転した時の冷却水系内の薬品濃度変化を図３に示す。

図３において、（１）は、従来の冷却水の電気伝導率から補給水量を求め、冷却水薬品を比例注入する方法、（２）は、本発明の冷却水の温度差から補給水量を求め冷却水薬品を比例注入する方法、及び、（３）は、本発明の冷却水の温度差と外気温差から補給水量を求め冷却水薬品を比例注入する方法を適用した例を示す。（２）の方法では、冷却水温度差が４．２〜５．９℃であり、計算式より温度差から蒸発水量を求め、薬注量を制御することで、薬品濃度のばらつきが小さくなり、薬品濃度は平均で２３０ｍｇ／Ｌ（方法（１）では、２７０ｍｇ／Ｌ）と薬品注入量を低減させることができた。（３）の方法では、計算式に外気温（５〜３０℃、Ｋ＝０．０５）による補正をして、薬注量を制御することで、（２）の方法と比べて、より安定した制御が可能となり、薬品濃度の平均は２１０ｍｇ／Ｌであった。（１）の方法では、冷却水中の薬品濃度がばらつき、薬品濃度管理基準範囲を外れることがあった。（２）の方法では、薬品濃度のばらつきは小さくなり、薬品濃度管理基準範囲内を推移したが、負荷の低い冬季と負荷の高い夏季で薬品濃度に若干差があった。（３）の方法では、薬品濃度は安定した濃度で管理基準範囲内を維持しており、適切な薬品濃度で運転することができた。冷却水の温度差と外気温差により薬品注入量を制御することで、冷却水中の薬品濃度のばらつきを防ぎ、薬品の過剰注入を防ぐことができた。

表１に、方法（１）〜（３）における防食効果、防スケール効果及び薬品使用量をまとめたものを示す。

＊鉄鋼に対して１０ｍｄｄ以下で防食効果があるとみなされる。
＊＊伝熱面設定温度は６０℃

従来法の（１）においては、防食及び防スケールの効果は得られていたが、本方式である（２）及び（３）と比べると薬品使用量が多かった。本方式の（２）及び（３）では、より少ない薬品使用量で防食および防スケール効果が十分に得られていた。本方式で運転することにより、薬品の過剰添加を防ぎ、冷却水系内の防食及び防スケール効果が得ることができた。防食効果は、テストピースを用いて腐食速度を測定することにより判断した。防スケール効果は、熱交換機の伝熱面温度の変化を測定することにより判断した。

実施例２
実施例１と同様な装置及び補給水を用いたが、補給水量を一定時間の積算値から算出して実施した結果を図４に示す。
図４において、（４）は、従来の冷却水の電気伝導率から補給水量を求め冷却水薬品を比例注入する方法を示し、（５）は、本発明の冷却水の温度差を一定時間ごとに積算し、その積算値から補給水量を求め、冷却水薬品を比例注入する方法を適用した例を示す。（５）の方法では、冷却水温度差が３．８〜６．３℃であり、温度差を積算し、計算式より積算値から蒸発水量を求め、薬注量を制御することで、薬品濃度のばらつきが小さくなり、薬品濃度は平均で２２０ｍｇ／Ｌ（（４）の方法では、２５０ｍｇ／Ｌ）と薬品注入量を低減させることができた。（４）の方法と比べて（５）の方法では、冷却水中の薬品濃度のばらつきを防いで運転することができた。負荷に応じた適切な量を注入することで、薬品の過剰注入または注入不足を防ぎ、適切な薬品注入量に制御することができた。

実施例３
実施例３では、開放循環冷却水系Ａ〜Ｆについて、計算式によりランゲリア指数を求め、防食剤とスケール剤の濃度バランスを制御することで、防食効果及び防スケール効果が得られた。
表２に、開放循環冷却水系Ａ〜Ｆについて、本発明方法を適用し、防食効果及び防スケール効果をまとめたものを示す。

注）Ａ値は０．１、Ｂ値は１．８として計算した。
＊鉄鋼に対して１０ｍｄｄ以下で防食効果があるとみなされる。
＊＊２℃以下を正常値とする。

各水質及び運転条件において、防食及び防スケール効果が十分に得られていた。本方式で運転することにより、冷却水系内の防食及び防スケール効果が得ることができた。防食効果は、テストピースを用いて腐食速度を測定することにより判断した。防スケール効果は、冷凍機のＬＴＤ（冷凍機凝縮器出口温度―冷却水出口温度）を測定することにより判断した。運転期間は各水系ともに３０日間とした。

本発明に用いた冷却水循環装置と冷却水薬品注入装置を示すフロー構成図。各温度の測定箇所を示す概略図で、（ａ）冷却塔冷却水温度、（ｂ）熱交換器冷却水温度、（ｃ）熱交換器冷媒温度、（ｄ）熱交換器伝熱面表面温度。従来の薬品注入方法と本発明の薬品注入方法による冷却水内の薬品濃度の経時変化を示すグラフ。（実施例１）従来の薬品注入方法と本発明の薬品注入方法（温度差積算）による冷却水内の薬品濃度の経時変化を示すグラフ。（実施例２）

１：開放型冷却塔、２：熱交換器、３：冷却水配管、４：冷却水配管、５：冷却水循環ポンプ、６：補給水弁、７：補給水配管、８：ブロー弁、９：ブロー配管、１０：薬注ポンプ、１１：薬品タンク、１２：温度センサー、１３：温度センサー、１４：外気温度センサー、１５：ｐＨ計、１６：制御装置、Ｔ：温度測定位置

Claims

冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御方法において、前記冷却塔の入口及び出口の冷却水温度、又は、熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度、又は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の表面温度を測定し、その温度差と外気温及び湿球温度（湿度）と冷却水の入口温度との差から蒸発水量を求め、補給水量を算出し、算出した補給水量に基づいて、防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系に注入することにより、冷却水中の薬品濃度を最適濃度にすることを特徴とする冷却水薬品の注入制御方法。
冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御方法において、前記冷却塔の入口及び出口の冷却水温度、又は、熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度、又は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の表面温度を測定し、その温度差を一定時間ごとに積算し、積算値が設定値に達するごとに蒸発水量を求め、補給水量を算出し、算出した補給水量に基づいて、防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系に注入することにより、冷却水中の薬品濃度を最適濃度に制御することを特徴とする冷却水薬品の注入制御方法。
請求項１又は２に記載の注入制御方法において、熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度を測定し、出入口の温度におけるＣａＣＯ_３、Ｚｎ（ＯＨ）_２又はＺｎ_３（ＰＯ_４）_２の溶解度から飽和ｐＨ値を求め、冷却水のｐＨ値と各飽和ｐＨ値との関係から冷却水系が腐食傾向か、スケール付着傾向かを判定し、防食剤と防スケール剤の冷却水系への注入量をコントロールし、防食剤と防スケール量の濃度バランスを制御することを特徴とする冷却水薬品の注入制御方法。
冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御装置において、前記冷却塔入口及び出口の冷却水温度、又は、前記熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度、又は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の表面温度、及び、外気温及び湿球温度（湿度）を測定する手段と、それらの測定した温度の温度差から蒸発水量及び補給水量を算出する演算器と、その演算器の信号を受けて防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系へ注入して冷却水中の薬品濃度を制御する手段とを有することを特徴とする冷却水薬品の注入制御装置。
冷却塔と熱交換器とを循環水路で結んだ冷却水系への冷却水薬品の注入制御装置において、前記冷却塔入口及び出口の冷却水温度、又は、前記熱交換器の冷却水又は冷媒の入口及び出口の温度、又は、熱交換器の伝熱面の入口及び出口の表面温度、及び、外気温及び湿球温度（湿度）を測定する手段と、それらの測定した温度の温度差を一定時間ごとに積算し、積算値が設定値に達するごとにパルス信号を発信する装置と、パルス信号を受けて蒸発水量及び補給水量を算出する演算器と、その演算器の信号を受けて防食剤、防スケール剤、スライムコントロール剤を含む冷却水薬品を冷却水系へ注入して冷却水中の薬品濃度を制御する手段とを有することを特徴とする冷却水薬品の注入制御装置。