基于在線監(jiān)測設(shè)備的全水管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何天慶 ，劉佳偉 ，王軍生 ，葛超 ，張正

（1.鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000；2.鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司，遼寧 鞍山 114001；3.大連嘉合環(huán)?？萍加邢薰净蚣{爾科（中國）環(huán)保技術(shù)服務(wù)有限公司，遼寧 大連 116001）

鋼鐵行業(yè)是我國基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展過程中占有重要地位。鋼鐵生產(chǎn)用水較多，占工業(yè)總用水量的28.5%，其主要包括生產(chǎn)設(shè)施用水、輔助生產(chǎn)設(shè)施用水、附屬生產(chǎn)設(shè)施用水以及道路灑水、綠化用水等。同時(shí)，隨著余熱余能利用、污染治理、固廢利用等各種新興節(jié)能環(huán)保和資源化利用的生產(chǎn)輔助設(shè)施的不斷改進(jìn)，鋼鐵生產(chǎn)用水環(huán)節(jié)及工藝過程更趨復(fù)雜［1-3］。鋼鐵企業(yè)85%以上用水為各工序工藝設(shè)備冷卻用水。水系統(tǒng)的良好運(yùn)行對(duì)減少檢修頻率、延長設(shè)備壽命、降低鋼鐵生產(chǎn)的綜合成本、避免意外事故發(fā)生等方面具有重要意義［4-5］。在國外，從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降綌?shù)字化模式轉(zhuǎn)變經(jīng)歷了從生產(chǎn)到研究、從研究到應(yīng)用的一個(gè)較長的探索和發(fā)展歷程。英國水處理公司在早期數(shù)字化建設(shè)中就重視生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用，國內(nèi)公司應(yīng)用較多的幾個(gè)水處理模型軟件如Infoworks、DHI、KYPIPE、Bently 等均來自英國、丹麥或者美國。數(shù)字化在國外的發(fā)展不僅為流程化生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約了成本費(fèi)用，也為企業(yè)做出了一個(gè)長期戰(zhàn)略決策［6］。

基于多年以來在一線水處理行業(yè)的摸索，為解決企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行中設(shè)備操作靠經(jīng)驗(yàn)缺乏技術(shù)支撐、運(yùn)行維護(hù)靠經(jīng)驗(yàn)缺乏預(yù)判，以及水質(zhì)變化缺乏應(yīng)對(duì)智能決策等諸多問題，全水管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。全水管理系統(tǒng)可結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)，預(yù)測設(shè)備的潛在故障，診斷運(yùn)行是否合理，運(yùn)用算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)測結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通、問題的提前預(yù)判、數(shù)據(jù)的自我演進(jìn)和操控的先進(jìn)管理。因此，全水管理系統(tǒng)對(duì)鋼鐵行業(yè)快速穩(wěn)定的發(fā)展以及水資源的合理利用存在重要意義。

1 在線監(jiān)測設(shè)備和全水管理系統(tǒng)

在線監(jiān)測設(shè)備能夠監(jiān)控水質(zhì)，監(jiān)督水量，控制水的運(yùn)行和化學(xué)品用量。全水管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水平衡監(jiān)測、水運(yùn)行控制、水性能診斷、水質(zhì)量評(píng)價(jià)、安全運(yùn)行預(yù)警、藥劑管理等功能。全水管理系統(tǒng)離不開在線監(jiān)測設(shè)備，二者不但能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場及遠(yuǎn)程控制的合一，而且根據(jù)不同用水單元量身定制水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，有效地提高生產(chǎn)效率和操作水平。達(dá)到現(xiàn)場無人化操作，節(jié)水節(jié)能降耗，提高設(shè)備利用率，保障生產(chǎn)順行。

1.1 在線監(jiān)測設(shè)備

表1為在線監(jiān)測設(shè)備基本參數(shù)，圖1為全水在線監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 全水在線監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System Construction Drawing for Online Whole Water Monitoring Equipment

表1 在線監(jiān)測設(shè)備基本參數(shù)Table 1 Basic Parameters for Online Monitoring Equipment

在線監(jiān)測設(shè)備主要由控制器、檢測儀器、各類探頭、加藥泵組、藥劑儲(chǔ)罐、無線雙向的信息傳輸系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)等硬件組成。在線監(jiān)測設(shè)備主要功能為：① 數(shù)據(jù)監(jiān)測（水質(zhì)參數(shù)：pH值、電導(dǎo)率、ORP、腐蝕率、藥劑濃度、溫度等）；② 水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（濃縮倍數(shù)、蒸發(fā)量和損失量）；③ 加藥泵狀態(tài)預(yù)警；④ 藥劑濃度及液位報(bào)警；⑤ 冷卻塔熱負(fù)荷及換熱效率診斷信息。表2為控制器控制方式及設(shè)備主要參數(shù)。

表2 控制器控制方式及設(shè)備主要參數(shù)Table 2 Control Mode for Controller and Main Parameters for Equipment

設(shè)備通過檢測取樣水得出各類關(guān)鍵參數(shù)，控制器通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理，按照處理結(jié)果通過控制繼電器輸入和輸出各類信號(hào)，達(dá)到控制加藥泵、排污閥、pH加酸調(diào)節(jié)、微生物標(biāo)記、報(bào)警等功能。系統(tǒng)將檢測到的各類數(shù)據(jù)以及輸入輸出的各類信息每15 s檢測一次，每15 min記錄一次，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至Internet，見表3控制器信息輸入輸出情況。

在冷卻水系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，條件的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕、沉積等問題的出現(xiàn)，造成系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。全水在線監(jiān)測設(shè)備檢測擾動(dòng)并采取適當(dāng)?shù)募m正措施，適用于以下條件：① 儀器可靠性極為重要時(shí)；② 擾動(dòng)及工藝泄漏會(huì)造成系統(tǒng)退化時(shí)；③ 硬度經(jīng)常變化時(shí)；④ 磷酸鹽濃度不定時(shí)；⑤ 系統(tǒng)負(fù)荷量變化時(shí)；⑥ 使用循環(huán)廢水時(shí)；⑦pH值很難控制時(shí)；⑧生物殺菌劑補(bǔ)給不連續(xù)時(shí)；⑨生物群變化或系統(tǒng)容易受微生物污染時(shí)等。圖2為換熱器結(jié)垢和換熱器保持清潔效果圖。

圖2 換熱器結(jié)垢和換熱器保持清潔效果圖Fig.2 Architectural Rendering for Formation of Scales in Heat Exchanger and Keeping Heat Exchanger Clean

可以看出，換熱器表面結(jié)垢后，導(dǎo)致金屬應(yīng)力變化，在高應(yīng)力條件下，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功能退化。酸性的給水系統(tǒng)如出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致pH值增加，系統(tǒng)中能夠控制結(jié)垢的藥劑被消耗。在pH值失控后，系統(tǒng)就會(huì)開始積垢，一旦系統(tǒng)結(jié)垢，只有使用昂貴的酸清潔劑才可以使之恢復(fù)原來的效能。在線監(jiān)測設(shè)備能夠檢測到pH值的增加和藥劑的消耗，同時(shí)可采取措施來降低系統(tǒng)的應(yīng)力，防止積垢。在此之后，將向系統(tǒng)操作員發(fā)送一封電子郵件或數(shù)字文件，報(bào)告異常情況以及糾正措施。所有預(yù)警均可在積垢影響到系統(tǒng)性能之前完成。相反，系統(tǒng)應(yīng)力較低時(shí)，在線監(jiān)測設(shè)備可調(diào)節(jié)電導(dǎo)率及化學(xué)品用量，以獲得最佳的效率。在水系統(tǒng)極限條件下運(yùn)行時(shí)，在線監(jiān)測設(shè)備對(duì)系統(tǒng)泄漏微生物的突然進(jìn)入、補(bǔ)水濁度的變化或熱交換器的酸泄漏等問題實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，無需對(duì)系統(tǒng)性能改進(jìn)付出昂貴代價(jià)。而其他所有的控制系統(tǒng)都依賴于“預(yù)期”條件或“標(biāo)準(zhǔn)”條件，在操作人員不參與的情況下無法對(duì)變化因素作出響應(yīng)，傳統(tǒng)加藥方式與全水在線監(jiān)測設(shè)備對(duì)比見表4。

表4 傳統(tǒng)加藥方式與全水在線監(jiān)測設(shè)備對(duì)比Table 4 Comparison of Traditional Dosing Method and Online Whole Water Monitoring Equipment

在線監(jiān)測設(shè)備運(yùn)用化學(xué)品和控制邏輯形成閉環(huán)運(yùn)行管理模式，對(duì)腐蝕控制采取補(bǔ)充水中補(bǔ)償正磷酸鹽濃度，防止磷酸鹽沉積造成的高成本腐蝕，持續(xù)在線監(jiān)測腐蝕率，檢測擾動(dòng)的發(fā)生機(jī)率。對(duì)結(jié)垢控制是根據(jù)系統(tǒng)承受的應(yīng)力主動(dòng)管理系統(tǒng)，將設(shè)備的效率保持在最高值，通過防止礦物結(jié)垢和微粒積垢，減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間以及維護(hù)成本。對(duì)生物控制是通過監(jiān)測補(bǔ)充水生物群補(bǔ)給時(shí)的差異，控制現(xiàn)有的固著生物群，防止沉積下腐蝕。

1.2 全水管理系統(tǒng)

全水管理系統(tǒng)分別從水平衡、水運(yùn)行、水性能、水質(zhì)量和藥劑管理五個(gè)維度來體現(xiàn)具體水處理系統(tǒng)功能，工藝數(shù)字孿生、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集和診斷分析部分都離不開在線監(jiān)測設(shè)備。水平衡是對(duì)蒸發(fā)量、風(fēng)吹損失量、管道泄漏量和排污量具體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和模擬量分析，了解各單元進(jìn)出水平衡狀況，水計(jì)量狀況、用途和去向。水平衡路徑的明晰是提高水資源高效利用率，制定多元取水、串聯(lián)一水多用、分質(zhì)梯級(jí)用水管理制度的基礎(chǔ)工作。水運(yùn)行是運(yùn)用濃縮倍數(shù)管理來調(diào)整補(bǔ)水排污量，通過系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)程控制、加藥設(shè)備狀態(tài)、風(fēng)機(jī)水泵狀態(tài)、供水及回水溫度、流量、壓力監(jiān)控來統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。水質(zhì)量為水質(zhì)數(shù)據(jù)，分別為：鈣硬度、總硬度、堿度、總鐵、氯離子、pH值、電導(dǎo)率、ORP、濁度等。水性能是監(jiān)測水系統(tǒng)中掛片的腐蝕率、結(jié)垢速率、細(xì)菌總數(shù)等參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和預(yù)警，確保水系統(tǒng)良好運(yùn)行。藥劑管理是監(jiān)測計(jì)量泵持續(xù)投加量、藥劑桶液位、藥劑消耗速度以及藥劑庫存等信息。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

表5為補(bǔ)水水質(zhì)和2、4、6倍濃縮時(shí)系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)分析。

表5 補(bǔ)水水質(zhì)和2、4、6倍濃縮時(shí)系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)Table 5 Quality of Replenishing Water and Parameters for Quality of Water in System by 2,4 or 6 Times of Concentration

水系統(tǒng)提高濃縮倍數(shù)的可能性較大，但高濃縮倍數(shù)的情況下，系統(tǒng)水質(zhì)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)隨著增大。因此，在循環(huán)水系統(tǒng)高濃縮倍數(shù)運(yùn)行的情況下，全水管理系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)控和預(yù)警顯得尤為重要。全水管理系統(tǒng)綜合模擬環(huán)境是根據(jù)水在循環(huán)過程中，除因蒸發(fā)損失和維持一定的濃縮倍數(shù)而排污水外，還由于空氣流動(dòng)將水分子氣化由塔頂逸出時(shí)，帶走部分水氣，以及管道滲漏而失去部分水，因此補(bǔ)充水水量等于蒸發(fā)量、風(fēng)吹損失量、排污量以及滲漏量之和。蒸發(fā)損失是通過蒸發(fā)系數(shù)、系統(tǒng)循環(huán)水量與冷卻塔進(jìn)出水的溫度差之乘積得來。蒸發(fā)損失系數(shù)與季節(jié)有關(guān)系：夏季（25～30℃）時(shí)，蒸發(fā)系數(shù)為0.15～0.16；冬季（-15～10℃）時(shí),蒸發(fā)系數(shù)為0.06～0.08；春秋季（0～10℃）時(shí),蒸發(fā)系數(shù)為0.10～0.12。對(duì)于機(jī)械通風(fēng)涼水塔，在有收水器的情況下，風(fēng)吹損失率約為0.2%～0.5%，通常情況下取0.2%為系數(shù)，風(fēng)吹損失是循環(huán)量與系數(shù)的乘積。排污量一般根據(jù)排污實(shí)際儀表計(jì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也可以通過系統(tǒng)濃縮倍數(shù)進(jìn)行計(jì)算；系統(tǒng)滲漏和溢流量需要加強(qiáng)現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行管理手段，如：增加在線儀表、現(xiàn)場不合理用水評(píng)估、水質(zhì)監(jiān)控等。通過運(yùn)行數(shù)據(jù)、水質(zhì)化學(xué)成分、藥劑中的有效化學(xué)成分進(jìn)行擬合，推薦指導(dǎo)加藥量，分析結(jié)果為2×10-5分散劑、2×10-5冷卻水處理劑、3×10-6阻垢劑，可以確保系統(tǒng)濃縮倍數(shù)達(dá)到6倍，綜合其他影響因素，可以繼續(xù)提升系統(tǒng)濃縮倍數(shù)。表6為水系統(tǒng)診斷分析。

從表5、表6中可以看出，計(jì)算該系統(tǒng)在2、4、6倍濃縮時(shí)的補(bǔ)水量分別為140、93.33、84 m3/h。以2倍濃縮為基礎(chǔ)，4倍濃縮時(shí)補(bǔ)水量會(huì)節(jié)約46.67 m3/h，6倍濃縮時(shí)補(bǔ)水量會(huì)節(jié)約56 m3/h，按全年系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行330天計(jì)算，每年可節(jié)約補(bǔ)水量369 600～443 520 m3，按當(dāng)?shù)毓I(yè)水標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格2.1元/m3，全年節(jié)水776 160～931 392元。同時(shí)，根據(jù)《GB/T 50050-2017工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)循環(huán)水高濃縮倍數(shù)下的水質(zhì)要求，循環(huán)水在6倍濃縮倍數(shù)下的鈣硬度在6.72×10-4左右，堿度在1.8×10-4左右，因此鈣硬度與堿度的和并沒有超過國標(biāo)中規(guī)定范圍，不存在結(jié)垢的趨勢和風(fēng)險(xiǎn)。

表6 水系統(tǒng)診斷分析Table 6 Diagnostic Analysis for Water System

3 結(jié)語

基于在線監(jiān)測設(shè)備的全水管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)職能部門管理升級(jí)，對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行透明化監(jiān)管和控制，可以提高水的利用率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過在線監(jiān)測設(shè)備采集水平衡、水運(yùn)行、水質(zhì)量、水性能和藥劑管理所需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從五個(gè)維度嵌入算法，結(jié)合化學(xué)品藥劑調(diào)整控制系統(tǒng)，形成了全水管理系統(tǒng)的閉環(huán)模式。通過全水管理系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在線水質(zhì)監(jiān)測，精準(zhǔn)計(jì)量化學(xué)品用量，提高管理效率，監(jiān)控腐蝕、結(jié)垢和生物污染的發(fā)生，確保系統(tǒng)在高濃縮倍數(shù)下處于安全和平衡的最佳狀態(tài)，年節(jié)水效益為77～93萬元。