工业与楼宇循环水系统：应用、水质标准及智能监测技术解析

前言

      循环水在许多工业领域都会大规模应用，在发电厂/站和大型楼宇中，也有非常重要的应用。

     循环水的主要作用是进行换热/换冷，同时兼具对设备中可能存在的因腐蚀或微生物滋生所产生的污染物进行冲洗并带出循环水系统。循环水在处理及使用过程中，为了保证循环水水质在合适的范围内，一般要通过物理及化学方式，对水进行有效处理，并对水质进行严格的监测，以保证设备及管线处于良好的运行状态。

1.循环水系统的应用分类

    工业上应用的循环水，一般可分为三类。

     1.1.工厂循环水

     应用最多的一类是工厂的循环冷却水，一般应用石油化工、煤化工、及众多的有机和无机化工过程。也包括冶金、造纸、合成氨/化肥、制药等工艺过程。在一些大型企业，可能会有多个循环水厂进行循环水处理运行。

      这一类循环水，是以换热为主，即用循环水带走装置中的物料的热量。当然也可有用较高温度的循环水为物料进行保温加热的。

      工厂的循环冷却水系统，现在多采用闭式循环，整个运行过程是在换热设备和管线中进行，水处理剂则是通过专门的加药设备注入循环水系统。

      从生产装置来的热循环水，经过水冷或空冷，将循环水的温度降低到返回循环换热系统要求温度，由加压泵打回生产装置。在循环水处理厂，根据对循环水水质的监测的数据指标，通过物理/化学方式，采取相应的处理措施、或加入相应的水处理药剂，以调节水质指标符合循环水的指标要求。

        工厂循环水处理的流程（参考）

      工厂循环水系统的特点是，循环水量大，一般是每小时千吨到万吨的级别，管线粗并且输送距离远。由于加工物料的不同，物料泄漏对循环水的污染情况差别很大。因为加入了多种的水处理剂，所以循环水的排污量和补水量也也是很大的。

      1.2.楼宇循环水/中央空调循环水系统

      楼宇循环水系统，因地理环境不同，北方可能会是同时具有加热和制冷的功能，以满足不同季节对换热/换冷的需求。而对于南方地区，则主要是换冷功能，即保证中央空调制冷及各用户端的制冷量需求。

     相比工厂循环水的温度，楼宇循环水分为制冷和制热两个温度范围，不同季节会控制不同的温度范围。在循环水换热设备上，可以采用冷水塔或风冷的方式，也有使用溴化锂循环制冷制热的方式。

     以制冷方式的楼宇循环冷却水（参考）

若是制热方式，则是将制冷循环进行逆向的热力学循环方式，而冷却水水塔侧的循环介质可能是能够在较低温度下运行的液体，如防冻液或低温盐水。

       1.3.发电机定子冷却循环水

大型发电机组的定子，在运行时温度会升高，需要采取合适的冷却方式对定子线圈进行冷却。

      这种循环冷却水，一般是纯净水，或加入少量用于稳定水质的添加剂。这种循环水只有冷却作用，将定子线圈上的热量及时带走，并且都是采用闭式循环方式。

定子冷却系统相对简单，但对水质要求严格。

     发电厂定子循环水系统流程（参考）

      2.循环水水质标准

     对于工厂用的循环水，国家和行业都有设计规范和相应的水质标准。参考以下三个标准：

      GB/T 50050-2017，工业循环冷却水处理设计规范

      GB/T 50102-2014，工业循环水冷却设计规范

      GB/T 50746-2012，石油化工循环水场设计规范

      前两个标准，分别对循环水的处理过程和系统设计进行了说明，其中就水质的一些要求及处理要点进行了规范性要求。第三个标准则是针对石油化工企业中的循环水场站的设计，提出了更详细规范。

      对于楼宇循环水，未查到国家标准，但有相应的协会标准， CECS 建筑循环冷却水系统水处理工程技术规程（征求意见稿），是由中国工程建设协会起草；国家对采暖空调系统的水质，有相关的标准，即 GB/T 29044-2012 采暖空调系统水质。

      对于大型发电机，包括水轮机发电机组和蒸汽轮机发电机组，都会设计一套专用发电机定子冷却水系统，这套系统是采用纯净水作为冷却介质，通入到定子线圈中进行高效冷却。目前未查到相关的水质标准。

      3.循环水水质监测

     几乎所有的循环水系统，现在都是采用在线监测的方式，以提高调节和控制水质的可靠性与及时性，同时会辅以取样进行化验室分析。

      3.1.工厂循环水监测

      对于化工厂的循环水水质监测，一般可采取循环水场/站集中监测，同时可配合水处理加药调节过程，与相应的水处理工艺结合。具体水质要求指标，需要参考相应的标准及企业所采用的水处理工艺。一些专业的水处理工艺包提供者，可能有他们自己的工艺控制系统软件及要求，如GE、Nalco、苏伊士等。一些国产品牌，也有类似的专业的水处理工艺包，这些水质指标与参数，基本是通过用户的取水水质并配合循环水的使用水质，再加上相应的水处理工艺中的药剂及处理方式来确定这些指标与参数。

     1）水的常规指标：包括pH/ORP、电导率、浊度、色度、温度（出水与回水）、流量/循环量、压力（出水与回水）；

     2）阻垢剂：一般是硬度离子的络合剂，多为多元氨基羧酸或氨基膦羧酸盐，或带有这类功能基的水溶性大分子物质。除垢剂在运行中会有降解，降解产物会增加水的COD值，以及一些相应的元素指标，如氨氮、磷酸根等。

      3）缓蚀剂：缓蚀剂的种类也很多，一般是具有特定氧化还原效能的有机 /无机物，并且部分缓蚀剂可能还有一定的除垢剂的作用。在水处理药剂配方中，一般是根据循环水的特点来选择合适的缓蚀剂。同样缓蚀剂也会有降解，这些降解产物积累于循环水中，其实就是循环水中的污染物。

      4）杀菌剂/杀生剂：工业循环水的温度范围，很适合微生物滋生繁殖，所以要在循环水中加入相当量的抑菌杀菌作用的药剂。这种药剂分为两类，一类是具有强氧化性的含活性氯的化合物，如氯气、次氯酸钠、强氯精等；另一类是非氧化性的化合物，如酚类、烷基季铵盐类。含氯杀菌剂成本低且广谱，所以用户应用比例很高。

     5）在众多有机化工中，特别是石油化工企业，水中油的监测是循环水的一个重要指标。

    6）一些地区的原水，可能会有明显量的硅酸根，这种情况下，需要对硅酸根进行监测，因为硅酸根结的垢，是非常难处理的，这也是许多水处理过程中，容易忽视的一个因素。

     对于一些企业的特殊物料装置与换热设备，可能会在装置及设备附近的循环水返回管线上，设置相应的特殊监测点，用于及时了解微量的物料泄漏情况，如浓酸/碱、强氧化剂、油、高毒害性物料、强烈水解物料等。

     除了循环水的常规指标，相关于水处理剂的有效成分、降解成分的监测，也是非常多的应用：如有效磷/总磷、氨氮/硝氮/总氮、余氯、COD/TOC、氯离子（不锈钢管线须特别关注）等；而对于一些与结垢、腐蚀相关的指标，包括需要不同参数换算的指标，如朗格利尔指数，则是需要硬度、碱度、pH来表征的；对于一些相关腐蚀现象的代表参数，如铁、铜、铝、及其他金属离子，则会选择合适的方法进行监测。

     另外，循环水还有一个特殊的指标，即浓缩倍数，这是一个比较难确定的参数，因为选取不同的监测指标来表征，可能会有不同的结果。这就需要在确定选择什么指标来代表浓缩倍数时，要详细了解原水水质、补充水的水质、水处理过程中的水处理药剂的元素组成和降解的情况。一般会选取一个尽量少受原水及补水水质影响，同时也不受加药的元素影响的指标（或水处理药剂降解后稳定的元素指标）。可以参考的元素有氯离子、钾离子、总磷/有效磷等。

      循环水的监测系统，一般会成套设计，通过一个具有代表性的取样点，把样品分配给监测仪器。这些监测仪器则需要安装在用户指定的区域，可能是防爆区域，或是有一定毒害性的区域（如加药间/加药设备附近），这时需要考虑分析小屋、分析间，并且要考虑防爆、通风、安保及安全报警系统。

       对于分析仪的管理，用户可能会有相应的通信要求，工业通信的协议需要作相应的匹配。

      3.2.楼宇循环冷却水监测

     楼宇循环冷却水的处理，不像工厂的那么复杂，但有其特殊性。

     由于楼宇的空调系统，为了增加换热和传热效果，一些管线传统采用铜质管线，一些散热器可能会采用铝质部件，所以在水处理工艺中，会针对管线及部件材质，选择一些特定的水处理药剂。

      在监测指标上，基本也是遵循工厂循环水处理的一些指标要求，GB/T 29044-2012标准内容中也列出了相应的一些重要指标。

      对于铜质管线与部件的系统，检测铜离子以表征可能发生腐蚀的情况，但循环水中的氨氮则是一个重要的指标，因为游离氨会严重腐蚀铜材质。

     对于循环水可能接触铝质的部件与管线时，须要严格控制pH值的范围，以及循环水的总盐度。

     对于一些运行温度可能会很低的场合，还应注意到，循环水中是否加了能够降低冰点的组分，如乙二醇、甘油、二甘醇等，这种循环液，会有超高COD /TOC值。

      楼宇循环水系统的监测点，一般会在中央空调附近，甚至会在一些楼宇的顶层平台上，在监测系统配置时，需要考虑分析小屋、分析间的防雨、防雷、工作环境调节、水电气供应等。用户可能考虑将分析监测结果传输给楼宇控制系统，需要匹配适当的通信接口与通信方式。

      3.3.发电机定子冷却循环水

     发电机定子冷却水，基本是采用纯水作冷却介质，并且接触的换热管线都是铜管。可能传输过程中会有不锈钢管线。

     水质监测有一定的特殊性。除常规的pH 和电导率外，一般会通过微量铜离子浓度表征定子导线表面可能的腐蚀情况；严格监测水中微量氨，以防止游离氨对铜表面的腐蚀。

      该冷却循环水，还会进行脱气处理，一般是通过鼓入纯氮的方式进行脱氧处理，那么监测该循环冷却水的溶解氧也是一个重要的检测内容。在取样及样品转移管线中，防止大气中氧对水中微量氧的影响至关重要。取样及样品传输的管线，只能用不锈钢管或铜管，绝不可以用管线及阀件。

       在发电机定子冷水系统中，一般会设置个混合合离子交换树脂柱，对该树脂柱的进出水水质进行监测，可以预测树脂的更换或再生操作。

      4、循环冷却水在线监测与智能加药系统

      4.1平台建设：

      1）数据采集传输：

      •高精度传感器：精准测量循环水系统各类物理量及设备运行参数。

     • 无线通信优化：引入 LPWAN 技术，扩大通信覆盖范围、降低功耗，提高通信稳定性。

      • 协议兼容扩展：增强 HJ212 自定义版协议的兼容性和可扩展性，确保数据高效传输。

       2） 数据处理分析：

       • 实时处理引擎：快速处理和分析海量数据，及时发现异常。

      • 智能分析模型：运用机器学习算法，实现故障早期预警和精准诊断。

• 大数据管理：采用分布式存储技术，保障数据高效存储、查询与安全。

       3） 设备管理控制：

      • 远程智能监控：随时随地远程操作设备，提高管理便利性。

      • 全生命周期管理：全程跟踪设备信息，优化维护计划和报废策略。

      • 智能故障诊断：自动分析运行状态，提前预警并提供诊断报告。

      4） 报警与通知：

      • 多渠道报警：增加语音电话、电子邮件等报警方式，提高报警可靠性。

      • 报警优先级管理：按严重程度和紧急程度设置报警级别，优先处理关键问题。

      • 报警关联分析：挖掘报警事件关联关系，综合提示故障信息。

      5） 系统集成兼容性：

     • 与其他系统集成：深度集成 ERP、MES、能源管理系统等，实现协同工作。

     • 兼容不同设备：制定统一接入标准，对接不同品牌型号设备。

     • 跨平台支持：确保在多操作系统和终端设备上稳定运行，界面操作便捷。

     6）安全与可靠性：

      • 数据加密：采用 SSL/TLS 协议和加密存储技术，保障数据安全。

     • 身份认证与访问控制：多因素认证，精细化访问控制，防止非法操作。

     • 可靠性设计：分布式架构和冗余设计，提高系统抗故障能力。

     4.2 在线分析&智能加药系统

      • 智能集成与自动化：智能一体化设备集成，紧凑设计，现场单台运行，占地面积小。依据水质电化学数据自动化运行，结合物联网技术实现远程运维。

      • 数据监测与记录：配备 10 吋组态显示器，PLC 程序自动控制，HMI 全程记录数据，便于分析与追溯。

      • 安全与检修便利：仪、电、水区域隔离，满足三 C 认证。药箱、计量泵内置，水样及加药管道闭合循环，集成一体且易于检修。

     • 药剂补给自动化：采用室外吨桶储备，管路输送药箱，装卸补给便捷，无需人工搬运。小型化多联药桶通过管线与地面吨桶连接，实现自动化随机补充。

      • 水质精准调控：多参数同步分析循环水样，实时反馈水质数据，据此进行数字电化学调整，并具备定时自动排污功能。

      • 云端管理与推送：借助大数据云端管理，设备异常、水质异常时随机推送消息给运维和管理人员，可在 APP 上随时查看。

      • 药剂配送智能化：城市管片药剂不足时触发三级报警，全城仅需一名药剂配送员，依据现场急需程度和路径自动排序导航配送。

     • 药剂管理大数据化：对药剂消耗存量、出入库情况以及各运行点位存量进行大数据管理，有效替代人工记忆，降低管理失误风险。