中央空調(diào)循環(huán)冷（熱）媒水系統(tǒng)水質(zhì)分析與建議

庫(kù)慧益，侯忠平

（武漢卷煙廠，湖北 武漢 430000）

0 引言

武漢卷煙廠中央空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)組制冷總量為7500RT，中央空調(diào)系統(tǒng)水系統(tǒng)分為三部分，循環(huán)冷卻水，冷媒水和熱媒水系統(tǒng)。循環(huán)冷（熱）水系統(tǒng)是以市政自來水作為補(bǔ)水，循環(huán)冷（熱）媒水系統(tǒng)為密閉式系統(tǒng)，水分不蒸發(fā)，不濃縮，全年運(yùn)行，循環(huán)冷（熱）媒水系統(tǒng)供給空調(diào)箱，生產(chǎn)工藝設(shè)備，生產(chǎn)車間區(qū) 、辦公區(qū)域以及生活區(qū)域使用。系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，有的分開獨(dú)立運(yùn)行，有的交替運(yùn)行，有的共用一路水管。這對(duì)水系統(tǒng)水質(zhì)要求更高，才能確保多方面運(yùn)行需求。目前系統(tǒng)運(yùn)行一年多，未做水質(zhì)保養(yǎng)，也未有其它水處理設(shè)施處理水質(zhì)。系統(tǒng)末端已發(fā)現(xiàn)有腐蝕現(xiàn)象和結(jié)垢現(xiàn)象。制冷機(jī)組蒸發(fā)器小溫差偏高，有時(shí)達(dá)到4.3℃。根據(jù)此現(xiàn)象我們對(duì)循環(huán)冷（熱）媒水及補(bǔ)水分析，根據(jù)分析結(jié)果，采取措施，解決問題，為確保冷（熱）媒水系統(tǒng)長(zhǎng)期正常、高效率運(yùn)行，對(duì)冷（熱）媒水系統(tǒng)提出改善建議。

1 水質(zhì)分析情況

1.1 補(bǔ)充水水質(zhì)分析

武漢卷煙廠中央空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)冷（熱）媒水補(bǔ)充水是市政自來水作為補(bǔ)充水，其補(bǔ)充水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)：PH值：7.21，總?cè)芄蹋?53.5mg/l，濁度：0.35NTU，鈣硬度：125.2mg/l，堿度：145.2mg/l，總鐵：0.08mg/l。

利用Langelier飽和指數(shù)①（簡(jiǎn)稱：L.S.I.指數(shù)）和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)①（簡(jiǎn)稱：R.S.I.指數(shù)）對(duì)該水質(zhì)在一定溫度下進(jìn)行理論判斷，結(jié)果見表1所示。

表1 L.S.I.和R.S.I.指數(shù)計(jì)算結(jié)果

1.2 循環(huán)冷媒水水質(zhì)分析

循環(huán)冷媒水系統(tǒng)未做水質(zhì)保養(yǎng)。循環(huán)冷媒水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)：PH值：7.83，總?cè)芄蹋?62.8mg/l，濁度：15.32NTU，鈣硬度：120.5mg/l，堿度：152.3mg/l，總鐵：4.32mg/l。

利用Langelier飽和指數(shù)（簡(jiǎn)稱：L.S.I.指數(shù)）和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)（簡(jiǎn)稱：R.S.I.指數(shù)）對(duì)該水質(zhì)在一定溫度下進(jìn)行理論判斷，結(jié)果見表2所示。

表2 L.S.I.和R.S.I.指數(shù)計(jì)算結(jié)果

1.3 循環(huán)熱媒水水質(zhì)分析

循環(huán)熱媒水系統(tǒng)未做水質(zhì)保養(yǎng)。循環(huán)熱媒水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)：PH值：8.62，總?cè)芄蹋?68.3mg/l，濁度：25.35NTU，鈣硬度：112.7mg/l，堿度：158.6mg/l，總鐵：3.45mg/l。

利用Langelier飽和指數(shù)（簡(jiǎn)稱：L.S.I.指數(shù)）和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)（簡(jiǎn)稱：R.S.I.指數(shù)）對(duì)該水質(zhì)在一定溫度下進(jìn)行理論判斷，結(jié)果見表3所示。

表3 L.S.I.和R.S.I.指數(shù)計(jì)算結(jié)果

1.4 對(duì)腐蝕產(chǎn)物與水垢分析

取腐蝕顆粒物做晶相分析，結(jié)果鐵含量85.6%，說明是鐵的氧化物。對(duì)水垢用1：1鹽酸溶解，產(chǎn)生大量汽泡，說明是二氧化碳?xì)怏w。取水垢顆粒物做晶相分析，結(jié)果鈣含量78.8%，說明水垢是碳酸鈣水垢為主。

1.5 對(duì)循環(huán)冷（熱）媒水模擬腐蝕速率檢測(cè)

在未做水質(zhì)保養(yǎng)前，對(duì)循環(huán)冷（熱）媒水模擬腐蝕速率檢測(cè)其結(jié)果：碳鋼平均腐蝕速率是0.12853mm/a和0.13557mm/a，大于GB/T50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)（以下都簡(jiǎn)稱為《規(guī)范》）中0.075mm/a限值②要求。

對(duì)上述各水系統(tǒng)水質(zhì)分析可知，水的PH值隨溫度升高而上升，是因管道是金屬材料碳鋼管為主，在循環(huán)傳熱過程中水中氫離子與金屬反應(yīng)，消耗了氫離子，所以PH值上升，故鐵含量也上升，從模擬腐蝕試片看水質(zhì)處于腐蝕狀態(tài)。從L.S.I.和R.S.I.指數(shù)判斷看，補(bǔ)水水質(zhì)在這區(qū)間溫度都是腐蝕狀態(tài)，循環(huán)冷媒水也是處于腐蝕與微結(jié)垢狀態(tài)，循環(huán)熱媒水是處于微腐蝕與結(jié)垢狀態(tài)。從實(shí)際維修設(shè)備及管道時(shí)發(fā)現(xiàn)有腐蝕產(chǎn)物和結(jié)垢產(chǎn)物以及排放出銹色水質(zhì)，驗(yàn)證這判斷是正確性。

2 水系統(tǒng)中金屬腐蝕與結(jié)垢機(jī)理分析

2.1 金屬腐蝕機(jī)理分析

金屬腐蝕是一個(gè)電化學(xué)過程。陽(yáng)極區(qū)、陰極區(qū)，水溶液三者構(gòu)成一個(gè)腐蝕電池。由于碳鋼的金屬表面并不均勻，當(dāng)它與水接觸時(shí)會(huì)形成許多微小腐蝕電池（微電池）。其中活潑的部位成為陽(yáng)極，腐蝕學(xué)上稱為陽(yáng)極區(qū)，而不活潑的部位成為陰極，腐蝕學(xué)上稱為陰極區(qū)。

在陽(yáng)極區(qū)，碳鋼氧化生成亞鐵離子進(jìn)入水中，并在碳鋼的金屬基體上留下兩個(gè)電子。與此同時(shí)，水中的溶解氧則在陰極區(qū)接受從陽(yáng)極區(qū)流過來的兩個(gè)電子，還原為OH-。這兩個(gè)電極反應(yīng)可以表示為：

在陽(yáng)極區(qū)（碳鋼金屬基體）：陽(yáng)極反應(yīng)Fe→Fe2++2e

在陰極區(qū)（水中氧）：陰極反應(yīng)1/202+H2O+2e→20H-

當(dāng)亞鐵離子和氫氧根離子在水中相遇時(shí)，就會(huì)生成Fe（OH）2沉淀

腐蝕產(chǎn)物：在水中Fe2++20H-→Fe（OH）2↓

氫氧化亞鐵極易氧化成紅棕色的鐵銹：

Fe（OH）2+1/2 02+nH2O-----Fe（OH）3·nH2O↓

如果水中的溶解氧比較充足，則Fe（OH）2會(huì)進(jìn)一步氧化，生成黃色的銹Fe2O3·H2O。如果水中的氧不充足，F(xiàn)e（OH）2進(jìn)一步氧化為綠色的水合四氧化三鐵或黑色的無水四氧化三鐵。

2.2 結(jié)垢機(jī)理分析

天然水中溶解有各種鹽類，如重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽等。其中以溶解的重碳酸鹽如Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2為最多，也最不穩(wěn)定，容易分解生成碳酸鹽。當(dāng)它通過換熱器傳熱表面時(shí)，會(huì)受熱分解，溶解在水中的CO2會(huì)逸出，此時(shí)，重碳酸鹽在堿性條件下也會(huì)發(fā)生如下的反應(yīng)Ca（HCO3）2+20H→CaCO3↓+2H2O+CO3

當(dāng)水中溶有氯化鈣時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生下列置換反應(yīng)CaCl2+CO3→CaCO3↓+2C1-

如水中溶有適量的磷酸鹽時(shí)，生成微溶性磷酸鈣，其反應(yīng)為2PO4-+3Ca2+=Ca3（PO4）2↓

上述一系列反應(yīng)中生成的碳酸鈣和磷酸鈣均屬微溶性鹽，它們的溶解度比氯化鈣和重碳酸鈣要小得多。碳酸鈣和磷酸鈣的溶解度與一般的鹽類不同，它們不是隨著溫度的升高而升高，而是隨著溫度的升高而降低。因此，在換熱器的傳熱表面上，這些微溶性鹽很容易達(dá)到過飽和狀態(tài)，而從水中結(jié)晶析出。當(dāng)水流速度比較小或傳熱面比較粗糙時(shí)，這些結(jié)晶沉積物就容易沉積在傳熱表面上。

此外，水中溶解的硫酸鈣、硅酸鈣、硅酸鎂等，當(dāng)其陰、陽(yáng)離子濃度的乘積超過其本身溶度積時(shí)，也會(huì)生成沉淀沉積在傳熱表面上。這類沉積物通常稱為水垢。由于這些水垢結(jié)晶致密，比較堅(jiān)硬，它們通常牢固地附著在換熱表面上，不易被水沖洗掉。大多數(shù)情況下，換熱器傳熱表面上形成的水垢是以碳酸鈣為主。

3 處理措施

根據(jù)對(duì)水質(zhì)分析判斷、腐蝕產(chǎn)物和水垢分析、腐蝕與結(jié)垢的機(jī)理分析，在實(shí)際操作中不停機(jī)情況下處理水系統(tǒng)，建議采取以砂濾加水處理藥劑處理措施，人工輔助末端排污及過濾器清洗和蒸發(fā)器通泡清洗，能解決以下問題。

3.1 水質(zhì)渾濁度與銹蝕物問題處理

采用砂濾處理。在主管上增加旁濾系統(tǒng)，旁濾系統(tǒng)以砂濾除去水中沉積物和懸浮物，使用濁度降到標(biāo)準(zhǔn)控制范圍內(nèi)。

3.2 腐蝕與結(jié)垢問題處理

采用添加惠隆水處理公司生產(chǎn)的SFZ-114復(fù)合型阻垢緩蝕劑。此水處理藥劑以無機(jī)亞硝鹽，鉬酸鹽為主要成分復(fù)配合成水處理劑，配以含磺酸離子性多元高分子聚合物及芳香族唑類復(fù)合而成的阻垢緩蝕劑。對(duì)銹蝕物有分散絡(luò)合清除功能，清除后金屬表面成氧化性防蝕膜，藥劑有機(jī)無磷阻垢劑和分散劑[1-3]。能降低和干擾碳酸鹽垢沉積的速度，對(duì)二價(jià)金屬離子具有優(yōu)良的螯合性能，對(duì)碳鋼和銅有良好的緩蝕作用。增加添加水處理藥劑輔助設(shè)備，并在線檢測(cè)與水質(zhì)監(jiān)控設(shè)備。對(duì)冷媒水系統(tǒng)與熱媒水系統(tǒng)采用針對(duì)性的控制指標(biāo)。對(duì)系統(tǒng)腐蝕性采用掛片式監(jiān)測(cè)[4-6]。

3.3 人工輔助末端排污及過濾器清洗和蒸發(fā)器通泡清洗

因末端沉積物系統(tǒng)運(yùn)行的局性限，定期人工輔助末端排污及過濾器清洗，把末端沉積物定期排放與清理。制冷機(jī)組蒸發(fā)器通泡處理。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

經(jīng)過一年運(yùn)行處理，循環(huán)冷（熱）媒水系統(tǒng)水質(zhì)數(shù)據(jù)明顯變好，循環(huán)冷媒水水質(zhì)主要變化參數(shù)如：PH值：9.82，濁度：2.53NTU，總鐵：0.25mg/l。循環(huán)熱媒水水質(zhì)主要變化參數(shù)如：PH值：9.87，濁度：3.55NTU，總鐵：0.23mg/l。

在做水質(zhì)保養(yǎng)后，對(duì)循環(huán)冷（熱）媒水模擬腐蝕速率檢測(cè)其結(jié)果：碳鋼平均腐蝕速率是0.00832mm/a和0.00886mm/a，小于GB/T50050-2017《規(guī)范》中0.075mm/a限值，符合規(guī)范》中要求。

從上面數(shù)據(jù)分析看濁度與總鐵下降明顯。目前水質(zhì)很清。蒸發(fā)器小溫差由4.3℃到目前下降到0.5℃，末端過濾器沉積物很少，大部分過濾很干凈。腐蝕速率由未做水處理前大于《規(guī)范》限值到處理一年后腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《規(guī)范》限值，下降趨勢(shì)明顯，從維修情況看，系統(tǒng)末端未發(fā)現(xiàn)有腐蝕現(xiàn)象和結(jié)垢現(xiàn)象。

5 經(jīng)濟(jì)收益

對(duì)武漢卷煙廠中央空調(diào)系統(tǒng)冷（熱）媒水系統(tǒng)水質(zhì)改善后，制冷機(jī)組換熱效率大大提高，能耗降低明顯。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全年冷機(jī)系統(tǒng)COP約提高2～4%，同時(shí)減少了換水頻次，節(jié)約水量達(dá)到約為40%。同時(shí)有效降低每年系統(tǒng)維護(hù)、清洗費(fèi)用，腐蝕速率減滿則延長(zhǎng)了設(shè)備及系統(tǒng)管道的使用年限，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于閉式系統(tǒng)來說，雖然補(bǔ)水量小，水質(zhì)雖然較為穩(wěn)定，但是系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥門眾多，建造過程中管道內(nèi)存留的焊渣及雜物，多種金屬材料混用，不可避免帶來腐蝕，只是速率相對(duì)較慢，結(jié)果呈現(xiàn)不顯著，不容易引起企業(yè)的重視。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，閉式循環(huán)系統(tǒng)水處理是十分必要的，以武漢卷煙廠中央空調(diào)系統(tǒng)冷（熱）媒水系統(tǒng)為例，結(jié)合理論與實(shí)際情況，提出改善建議，通過采取一系列物理、化學(xué)及管理措施方法，有效降低了系統(tǒng)故障率，提高系統(tǒng)保障能力，驗(yàn)證了各舉措的合理性，同時(shí)投入較小，回報(bào)大，值得行業(yè)重視與推廣。