循环水浓缩倍数影响因素分析及对策

　　循环水浓缩倍数是反映和控制循环水系统运行的一个重要综合性指标。提高循环水浓缩倍数不仅可以降低补充水量、节约水资源；降低排污水量、减少对环境的污染和废水处理量；还可以减少水处理剂及杀生剂的消耗量、降低水处理成本。
　　循环冷却水系统作为石油化工行业的一个总要组成部分，近几年来随着管理制度的不断完善；生产工艺技术的不断进步；水处理剂的不断改进、开发，集团公司对循环水质管理的要求也越来越高，特别是浓缩倍数N控制指标逐年提高。如下图示：

1 现状分析

　　我厂现共有五座循环水场，由于系统设计、处理能力、覆盖的生产装置、管理水平各异，因而各水场的水质差异较大。具体反映在浓缩倍数上详见表1。

表1 循环水场浓缩倍数统计表（2003年）

一循环水场

二循环水场

三循环水场

焦化水场

烷基化水场

浓缩倍数

（平均值）

2.88

3.35

2.63

3.24

2.16

浓缩倍数

合格率（％）

40.0

70.3

20.5

62.5

14.0

注：表中合格率统计均是以N≥3.00为计算依据

　　从表1统计数据可以看出，五座循环水场仅二座水场浓缩倍数年均值大于3.00，烷基化水场最低仅为2.16，因而该系统存在问题也最多；此外，各水场浓缩倍数合格率普遍很低，说明水质波动大、稳定性差。因而要稳定水质，确保系统安全、经济运行，就必须进一步提高循环水浓缩倍数以及其合格率。
　　下面就影响循环水浓缩倍数的几方面因素进行分析，并探讨其改进措施。

2影响因素

　　浓缩倍数N是循环冷却水的含盐量C与其补充水的含盐量C₀之比，即N=C/C₀ 可用下式进行计算：

　N=M/(B+D+F)=(E+B+D+F)/(B+D+F)=1+E/(B+D+F)　 ⑴

　E=4.184△TQ/γ ⑵

式中：M—补充水量 　B—排污水量

F—渗漏损失量　D—风吹损失量

E—蒸发量　Q—循环水量

△T—进、出塔水温差　　　γ—蒸发热

　　从⑴、⑵式可以看出，当环境温度及循环水量一定时，浓缩倍数N与△T成正比，与B、D、F成反比。

2.1 系统设计

2.1.1 系统容积大制约了浓缩倍数的进一步提高

　　目前我厂循环水系统的保有水量普遍过大，其保有水量与循环水量之比（V/Q）一般为0.5～0.6，这与一些较先进厂家V/Q比已达1/3～1/5相差甚远。
　　从浓缩倍数的定义式可知，循环水中盐的浓度大小直接影响着N值的高低。如果某一系统其循环供水量Q一定，在一定的时间内蒸发量E也一定时，当系统的保有水量V越小时,则此时体系中盐浓度C越大，浓缩倍数N就越大；反之，V越大，则浓缩倍数N就越小。因而体系V/Q值过大，在一定程度上制约了浓缩倍数的进一步提高。

2.1.2 设计热负荷高，而实际运行时△T小

　　在冷却水系统设计时，热负荷估算较高，设计温差为10℃。而在实际运行时，热负荷明显不足，冷却塔进出水温差仅只有5～7℃，造成蒸发量E过小。由公式⑴、⑵可知，温差越小，蒸发量越小，相应的浓缩倍数也越低。如第三循环水系统，由于其系统装置主要为7万吨聚丙烯，热负荷低，且实际循环水量仅为设计量的60％，特别是冬季，状态更差，水温差甚至低于5℃，因而其浓缩倍数一直较低。

2.1.3 旁滤池设计不合理

　　旁滤池内滤料填装不合理，过滤截污能力较低，循环冷却水经过滤后，浊度降低率不足30％。特别是烷基化水场的管道过滤器，采用滤网过滤效果更差，系统浊度经常超标。为降低浊度而频繁进行排污、换水处理，严重影响了循环水的浓缩倍数。
　　此外，由于旁滤池设计单纯采用循环热水作反冲洗水，不仅反冲洗效果差，影响了截污能力，而且造成循环水排污量大，这些势必影响浓缩倍数的提高。

2.2 系统管理

2.2.1 冷换设备泄漏，工艺介质污染循环水系统

　　由于装置长周期运行或检修质量等原因，常会发生冷换设备腐蚀穿孔泄漏烃类、油类等工艺介质到循环水系统现象，严重污染水质，使浊度、pH、含油、微生物等指标严重超标。为确保水质，循环水系统不得不进行大排大补，并有针对性的开展一系列清洗、杀菌工作。如此不仅破坏了体系原有的动态平衡，而且使得浓缩倍数在一个较长的时段内维持在低水平。

2.2.2 系统清洗对浓缩倍数的持续性影响

　　目前循环水系统清洗在分散、除锈阶段pH值控制普遍较低，一般为3.0～4.0。当体系状态较差时，大量酸洗下来的Fe、Ca离子在换水阶段随着pH值的上升而反应成为不溶物，受系统排污能力限制，有相当一部分不溶物未能及时置换出体系外，而在管道、池子中沉积下来。
　　当系统清洗结束转入正常运行后，在一个相当长的时间内（一般长达15～20天），一旦系统工艺调整或管压稍有波动，就会造成浊度、色度、铁含量等上升。为保证水质，系统经常性的换水排污势必极大的影响浓缩倍数，因而可以认为清洗对浓缩倍数的影响是一个持续性、长期行为，不容忽视。

2.2.3 生产装置对循环水重要性认识不够

　　⑴当实际生产中不排污（即B=0）时,如系统补水量M>E+D+F，则可能部分装置使用的机泵、设备等冷却水外排或用循环水冲地，造成回水量减少。
　　⑵装置随意排放新鲜水或软化水到循环水系统，造成自流回水量过大，受设计限制，体系不得不进行少量排污。特别是软化水的任意排入，严重影响了循环水含盐量，造成浓缩倍数持续下降。如烷基化水场曾由于装置任意将软化水排入循环水系统，在一周时间内浓缩倍数竟由1.4降至0.8。（由于原因不明，造成N值失真，计算值小于1.0）

2.2.4 管网及构筑物的影响

　　循环水系统由于管网复杂、年久维护不善等原因，均会存在构筑物渗漏、阀门坏损、地下管网破裂、管线腐蚀泄漏等现象，使系统“排污量”增大，浓缩倍数下降。据统计全年浓缩倍数有近20％的不合格是由此类因素造成。

2.2.5 工艺操作的影响

　　⑴操作不精心，工艺调整不及时，常出现凉水塔、隔油池溢流现象。
　　⑵管理不严，操作随意度大，旁滤池反冲洗过频，循环水排污量大。
　　⑶工艺操作未严格按规程进行，旁滤池反冲洗跑砂严重，削弱了滤池的截污能力。
　　⑷管网及冷换设备的阀门开度不合理，造成进出水温差△T较小。

2.3 监测方法

　　根据循环水浓缩倍数N的计算公式：N＝C/C_补，目前用于监测N的特性物质一般为氯离子、二氧化硅、钾离子、钙离子、含盐量和电导率。这些物资浓度或特性在冷却水系统运行中一般不受加热、曝气、投加药剂、沉积或结垢等因素干扰，且随N的增加而成比例增加。
　　各种监测方法及特性详见表2。

表2 浓缩倍数监测方法对比

监测方法

特点及优势

影响因素

分析手段

氯离子

性质稳定，不易产生沉淀，

测定简单、快捷

冷却水以氯气作杀菌剂时

不宜采用

容量分析

钙离子

稳定性好，干扰少，测定简单、快捷

当体系浓缩倍数高或结垢时，产生钙盐沉积物，测定结果偏低

容量分析

钾离子

性质非常稳定，干扰少

监测仪器成本高，不适合

现场监测

火焰光度计

二氧化硅

性质较稳定，干扰少

测定精度较差

当硅酸盐与镁离子浓度都高时，

生成硅酸镁沉淀，使二氧化硅

浓度偏低

分光光度法

电导率

测定迅速，仪器操作简单，

适合现场监测

受补水水质及水处理工艺影响，

稳定性较差，易出现波动

电导测定仪

　　我厂现采用电导及钙离子作为计算浓缩倍数的依据。虽然简单快捷，但也存在一定的问题。如N_电导由于补充水电导经常在250～360us/cm波动，不稳定，影响结果准确度；N_钙在硬度>600mg/L、pH>9.0时，结果明显偏低。

3　采取措施

3.1 减少系统的保有水量

　　根据系统的实际状况，在确保安全平稳生产的基础上，可采取垫高集水池底部减少集水池的有效深度、降低冷水池水位的方法，降低冷却塔集水池、冷水池的容量。例如三循目前保有水量为1500m³,集水池有效深度1.55m,冷水池有效深度4.10m。按集水池深度减少0.5m，冷水池液位降低1.0m，则系统可减少贮水量309m³,减幅达20％。
　　一旦有效地减少了系统的保有水量，不仅能使浓缩倍数较快的提高，而且能减少水处理药剂的初始投加量，特别是一次性投加的药剂如清洗预膜剂、杀生剂等，降低成本。

3.2 优化操作，提高系统热负荷

　　调整装置冷换器进、出口阀门的开度，使其进口阀全开，出口阀调整至适当的开度，延长循环水与热源的接触时间，提高系统的热负荷。同时，根据季节、水温、水量及时调节冷却塔上塔阀的开度，使各塔布水均匀，从而使冷却塔进、出塔水温差T接近或达到设计值。

3.3 合理改造旁滤池，提高处理效率

　　一方面改造现有旁滤池的滤料层，在石英砂、砾石的基础上增加新的滤料层（如无烟煤），合理调整级配，提高旁滤池的截污能力，使循环水过滤后浊度降低率大于70％，从而改善循环冷却水水质。
　　另一方面旁滤池增设一条补充水反冲洗管线，改变目前单一循环热水作反冲洗水状况。当水质浊度小于15FTU，而滤池浊度降低率低于20％时，采用补充水进行反冲洗，即可节约成本、减少系统排污量，又可提高反冲洗效果。而当水质浊度大于15FTU时，则采用循环热水进行滤池反冲洗，适当排污以降低系统浊度，保证水质。
（注：我厂循环水控制指标浊度≤15FTU）

3.4 强化管理，减少系统波动
3.4.1 加强水质监测力度和频次，发现异常数据（如浊度、pH、含油）及时排查，尽快找出并切断“泄漏源”；及早进行工艺处理，把工艺介质泄漏对系统的影响降至最低。
3.4.2 加强对生产装置用水的考核及宣传，杜绝循环水乱排或作其它非生产用途；严格控制装置任意向循环水系统回串新鲜水或软化水。
3.4.3 加强对循环水地下管线的检查，防止管线因腐蚀泄漏；对系统构筑物、管网阀门等要定期检查、维护、保养。
3.4.4 加强对操作人员的培训和考核，严格工艺纪律，精心操作，杜绝凉水塔溢流、旁滤池跑砂等想象，提高操作平稳率。
3.5 优化工艺、操作，提高系统浓缩倍数
3.5.1 合理控制系统清洗频次，优化清洗方案，确保系统运行平稳。当临时采用非氧化型杀菌剂进行杀菌清洗时，可不必强制性的进行排污处理。即如此时浊度不超标却杀菌剂对水稳剂的效能无影响时，可直接转入正常运行。
3.5.2 优化清洗操作，确保清洗效果，从根本上减轻清洗对浓缩倍数的持续性影响。当由于水质严重污染、恶化而进行清洗、预膜时，应高度重视换水阶段的操作处理。注意调整装置进出水阀、上塔阀门的开度，适当提高管压，进行快速置换，尽可能减少管网沉积物，避免系统正常运行时水质的频繁波动，减少系统排污频次，从而在较短时间内提高浓缩倍数。
3.5.3 引进先进的管理操作、设施，提升循环水系统的自动化能力。如建立中央控制系统，对pH、浊度、油含量、腐蚀速率、粘附速率等水质重要指标实行在线监测；采用自动化加药设施实现水质稳定剂的连续性稳定投加等。这些措施可有效地降低水质波动对系统的冲击，提高操作平稳率，充分发挥缓蚀阻垢药剂的性能，有利于提高浓缩倍数及其合格率。
3.6 合理选择监测方法，真实反映系统浓缩倍数
　　由于钾离子性质稳定、溶解度大，循环水中又无此来源，基本无影响因素，却钾离子测定精密度和准确度高。因此选用钾离子作为监测浓缩倍数的特性物质是最合适的。
　　基于此，我主张在日常监测中应以钾离子浓度计算浓缩倍数，同时辅以监测钙离子浓度作为系统高浓缩倍数情况下运行时结垢倾向判别的依据。当N_K—N_Ca≥0.3时，可判别体系有结垢倾向。

4 循环水系统高浓缩倍数运行时应注意的问题

　　随着循环水浓缩倍数的不断提高，水中有害离子Cl^-以及微溶性离子Ca²⁺、Mg²⁺浓度过高，易使体系产生腐蚀、结垢；同时由于水在体系中停留时间的延长，不利于微生物的控制。这就给水质管理工作提出了新的要求，为保证水质，我们必须做到以下几点：

4.1 加强水质日常监测，对一些重要项目包括氯离子、钙硬、碱度等要合理制定控制指标，并严格控制其浓度，发现异常应及时处理。
4.2 加强日常微生物的控制，合理加氯，有针对性的定期投加非氧化型杀菌剂，有效克服微生物的耐氯性，提高杀菌效率。
4.3 加强循环水腐蚀速率、粘附速率的动态监测。根据水质积极进行水稳剂配方的研究和改良，不断提高水稳剂的性能，特别是其阻垢性能，以适应高浓缩倍数下系统运行的需要。
4.4 虽然提高浓缩倍数N可以节能降本，但当N＞4.0时，其节能效果已不十分明显，相反体系的一些负面影响愈来愈明显。综合考虑各方面因素，我认为N值应控制在4.0～5.0为宜，不必单纯追求高浓缩倍数。

5 结语

　　循环水浓缩倍数不仅是反映水质的一个综合性指标，同时也是衡量一个部门甚至一个企业综合管理能力及技术发展水平的重要指标。当今水处理技术的日新月异，无疑为进一步提高浓缩倍数提供了良好的发展平台。只要我们针对现状，积极采取有效的改进措施，加强各项管理，就一定能在较短时间内有效提高循环水浓缩倍数，即体系N≥3.00并且其合格率大于80.0％是完全可以达到的。

参考文献：

[1]李本高主编. 工业水处理技术[M]. 北京. 中国石化出版社，2002
[2]陈复主编. 水处理技术及药剂大全[M]. 北京. 中国石化出版社，2000