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循环水系统培训教程

福建省鑫东华实业有限公司

循

环

水

处

理

系

统

培

训

教

程

2014年8月8日

第一节：

循环冷却水系统总概

水是地球上分布最广的自然资源之一，也是人类环境的一个重要组成部分。

地球上的水总量约1.4×1019m3，海洋中聚集着绝在部分的水，占地球总水量的97.2%，而淡水只占总水量的2.53%。

水资源是指全球水量中对人类生存、发展的可利用的水量，主要是指逐年可以得到更新的那部分淡水量，所以淡水总量并不等于水资源，实际上能供人类生活和工农业生产使用的淡水资源还不到淡水总量的万分之一,可见水资源并不是取之不尽用之不绝的资源。

人类日常生活离不开水，工业生产也同样离不开水，随着工业生产的发展，用水量越来越大，很多地区已经出现供水不足的现象，因此合理和节约用水已经成为发展工业生产中的一个重要问题。

工业用水主要包括锅炉用水、工艺用水、清洗用水和冷却用水、污水等。

其中用水量最大的是冷却用水，约占工业用水量的百分之九十以上。

不同的工业系统和不同用途对水质的要求是不同的；但各工业部门使用的冷却水对水质的要求基本上是一致的，这就使得冷却水质控制在近年来作为一门应用技术获得了迅速的发展。

在工厂中，冷却水主要用来冷凝蒸汽、冷却产品或设备，如果冷却效果差，就会影响生产效率，使产品的收率和产品的质量下降，甚至于会造成生产事故。

水是比较理想的冷却介质。

因为水的存在很普遍，和其它液体相比，水的热容或比热较大，水的汽化潜热（蒸发潜热）和熔化潜热也很高。

比热是单位质量的水温度升高一度时所吸收的热量。

常用的单位是卡/克·度（摄氏）或英热单位（B．T．U．）/磅·度（华氏）。

用这两个单位表示水的比热度时，其数值是相同的。

热容大或比热大的物质升高温度时需要吸收大量的热量，而本身温度并不明显升高，因此水具有良好的贮热性能。

潜热是物态发生转变时所吸收或放出的热量。

一克分子水蒸发成为一克分子蒸汽需要吸收近一万卡的热量，因此水蒸发时能吸收大量的热量，从而使水温下降，这种依靠水份蒸发带走热量的过程称为蒸发散热。

和水一样，空气也是一种常用的冷却介质。

水和空气的导热性能都很差，在0℃时，水的导热系数是0.49千卡/米·小时·℃，空气的导热系数是0.021千卡/米·小时·℃，但水与空气相比，水的导热系数要比空气高24倍左右。

因此，当冷却效果相同时，用水冷却比用空气冷却的设备要小得多。

大型工业企业和用水量大的工厂一般都采用水冷却。

第二节：

冷却水系统类型

一、直流冷却水系统：

在直流冷却水系统中，冷却水仅仅通过换热设备一次，用过后水就被排放掉，因此，它的用水量很大，而排出水的温升却很小，水中各种矿物质和离子含量基本上保持不变。

早期工厂的冷却水系统采取直流系统，其冷却水从水源流经换热器后又回流到水源处。

其优点为快速有效，水源处的水温较低；灵活性，可在最小的传热面条件下冷却；表现为腐蚀、污垢和微生物繁殖的相对较小；系统内由水引起的问题主要取决于原水的性质，由于水在系统内没有浓缩，一般不会发生明显的物理和化学变化，

其缺点为冷却水系统内水的流量和温度的变化、加上水的性质各不相同（河水、湖水常含有大量悬浮物和沉积物，且随季节变化水中常含铁和结垢的盐类变化较大），使得系统的管理工作更加复杂。

图1:

直流冷却水系统

二、密闭式循环冷却水系统：

密闭式循环冷却水系统又称为封闭式循环冷却水系统，水在这种系统中循环进行热交换，冷却水升温后不与大气直接接触，而在另一台换热设备中经其他冷却介质换热降温后再回用，以冷却高温热介质。

这种封闭式系统须使用含盐量很低的软水或纯水，冷却水循环冷却过程中，不直接暴露于空气中，水量损失少，水中各种矿物质与离子含量一般也不会发生变化，溶解氧和杂质含量极少，又不与阳光接触，不利于菌、藻等微生物生长繁殖，系统中结垢和腐蚀较少发生，排污量也很小。

因此，这种系统的水质处理方法比较简单，维护容易。

而且补充水量极少，有利于水资源的节约。

但该系统中的冷却水不存在蒸发冷却过程，只靠传导散热，冷却效率很低，循环系统的造价和能耗高，一般只用于发电机、内燃机或有特殊要求的单台换热设备。

图2：

封闭式循环冷却水系统

三、敞开式循环冷却水系统：

1、分类：

敞开式循环冷却水系统是目前应用最广、类型最多的一种冷却系统。

它也是以水冷却移走工艺介质或换热设备所散发的热量，然后利用热水和空气直接接触时将一部分热水蒸发出去，而使大部分热水得到冷却后，再循环使用。

因此，这样的系统也称敞开循环冷却水系统。

根据热水和空气接触方法的不同，可以分成很多类型。

敞开循环冷却水系统的分类见表一。

表一敞开蒸发系统的分类

自然冷却塔

冷却池喷淋冷却池

喷水式

敞开放式横流式

开点滴式

蒸

发自然通风

系点滴式、薄膜式

统风筒式

喷水式、点滴薄膜式

冷

却点滴式

塔鼓风式薄膜式逆流式

喷水式

点滴薄膜式

机械通风

点滴式

横流或逆流式

薄膜式

抽风式喷水式

点滴薄膜式逆流式

冷却水由循环泵送往系统中各换热器，以冷却工艺热介质，冷却水本身温度升高，变成热水，此循环水量为R的热水被送往冷却塔顶部，由布水管道喷淋到塔内填料上。

空气则由塔底百页窗空隙中进入塔内，并被塔顶风扇抽吸上升，与落下的水滴和填料上的水膜相遇进行热交换，水滴和水膜则在下降过程中逐渐变冷，当到达冷却水池时，水温正好下降到符合冷却水的要求。

空气在塔内上升过程中则逐渐变热，最后由塔顶逸出，同时带走水蒸气。

这部分水的损失称为蒸气损失E。

热水由塔顶向下喷溅时，由于外界风吹和风扇抽吸的影响，循环水会有一定的飞溅损失和随空气带出的雾沫夹带损失。

由于这些损失掉的水，统称为风吹损失D。

为了维持循环水中的一定的离子浓度，必须不断向系统中加入补充水量M和系统外面排出一定的污水。

这部分水量称为排污损失B。

图3：

敞开式循环冷却水系统

1-补充水（M）；2-冷却塔；3-冷水池；4-循环水泵；

5-渗漏水（F）；6-冷却水；7-冷却用换热器；8-热水（R）；

9-排污水（B）；10-蒸发损失（E）；11-风吹损失（D）；12-空气

2、冷却原理：

通过水与空气接触，由以下三个过程共同作用的结果。

2.1、水的蒸发散热：

2.1.1、水在冷却设备中形成大小水滴或极薄水膜，扩大其与空气的接触面积和延长接触时间，加强水的蒸发，使水汽从水中带走汽化所需的热量，从而使水冷却。

2.1.2、为了加快蒸发散热，一方面应增加热水与湿空气之间的接触面积，以提供水分字逸出的机会；另一方面提高水气界面上的空气流动速度，以保持蒸发的推动力不变。

2.2、水的接触传热：

借传导和对流传热，称为接触传热；水面与较低温度的空气接触，由于温差使热水中的热量传到空气中去，水温得到降低，温差愈大，传热效果愈好。

2.3、水的辐射传热：

不需要传热介质的作用，而是由一种电磁波的形式来传播热能的现象；辐射传热只是在大面积的冷却池内才起作用。

在其它类型的冷却设备中，辐射传热可以忽略不计。

3、冷却塔的工艺构造：

冷却塔一般由通风筒、配水系统、淋水装置、通风设备、收水器及集水池等部分组成。

下图为抽风式逆流冷却塔的工艺构造图，热水从上向下喷洒成水滴或水膜，空气经风机或自然风筒抽进塔内由下向上流动，在淋水填料中水与空气进

行热交换，从而降低水温。

图4：

机械通风冷却塔

1-配水系统；2-填料；3-百叶窗；4-集水池；5-空气分配区；

6-风机；7-风筒；8-热空气和水蒸汽；9-冷水

3.1、配水系统：

配水系统的作用是将待冷却的热水均匀的分布到冷却塔整个淋水面上。

若配水不均匀，淋水填料上水流密集的部分，通风阻力增大，空气流量就少，水的散热冷却效果就差；而水流过少的部分，空气流量大，许多气流没有充分发挥其携热能力即逸出塔外，从而影响全塔的冷却效果。

配水系统还应适应流量在一定范围内变动时的配水均匀，对塔内气流阻力影响小，有利于防堵维修。

配水系统一般由布水器及喷嘴组成。

3.2、淋水装置：

淋水装置主要由淋水填料组成，填料是冷却塔内水、气两相进行传热、传质的效能核心，是影响冷却塔热力性能的主要组件。

其作用是将配水系统溅落下来的热水形成水膜或细小水滴，以增大水和空气接触表面积并延长水在塔中的流程，创造良好的传热传质条件。

填料应具有较大的比表面积，通风阻力小，亲水性强，化学稳定性好，质轻耐久，抗腐蚀，价廉易得，施工维护方便等特点

3.3、通风筒：

冷却塔靠高大的风筒上下存在的空气密度差所产生的抽力形成稳定的气流，起到抽风和送湿热空气的作用，筒体越高，抽风效果越好，筒体一般设计成双曲线型。

外界空气由塔筒下部进风口进入塔内，空气通过淋水填料时与热水进行湿热交换，然后通过风筒排出塔外。

3.4、通风设备：

通风设备一般选用轴流风机，可通过调整叶片的角度在一定范围内改变风量与风压。

3.5、进风口：

进风口一般是指填料以下到集水池水面以上的空间，进风口一般设置向塔内倾斜成45°交角的进风百叶窗。

3.6、收水器：

收水器是冷却塔防止飞溅损失，减少补充水量，节约用水的重要组成部分，其作用是回收利用即将出塔的湿空气中携带的雾状小水滴，一般安装在配水系统上部与风机下部。

3.7、集水池：

集水池设在冷却塔塔体下方，起储存和调节冷却水水量的作用，其底部低点处设置排污口。

3.8、塔体：

塔体在冷却塔功能上起着封闭和围护的作用，一般在形状上有方形、圆形、矩形等。

四、循环冷却水处理：

1、弊端及问题：

冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水的温度升高，水流速度的变化，水的蒸发，各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷却水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，会产生比直流系统更为严重的沉积物的附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等问题。

1.1、腐蚀：

所谓腐蚀，即金属和它所存在的环境之间的化学或电化学反应而引起金属的破坏现象。

在冷却水系统中，腐蚀主要以氧腐蚀为主，一般来说阳极反应是铁的溶解过程：

2Fe→2Fe2+＋4e；阴极反应是氧的还原反应：

O2＋2H2O＋4e→4OH-。

这种腐蚀反应在敞开式循环冷却水系统中引起的危害，除了使系统的输水管线、水冷设备的寿命减少及损坏等直接的损失之外，还会因泄漏造成各种污染甚至意外停车事故。

另外由于腐蚀产生的锈瘤，也会引起水冷器传热效率下降或管阻塞等结垢障碍，一般在冷却水系统中，若不使用化学处理方法，碳钢的平均腐蚀率一般在70～150mg/dm2·day（0.3～0.7mm/a）范围之内，但发生点蚀的部位腐蚀速度可达到平均腐蚀率的2～10倍。

1.2、结垢：

结垢是指在水中溶解或悬浮的无机物，由于种种原因，而沉积在金属表面，敞开式循环冷却水系统的结垢主要成分有CaCO3、Ca3（PO4）2、Zn垢和腐蚀产物等。

由于缓蚀剂使用致使腐蚀产物大大减少，而以CaCO3垢，Ca3（PO4）2垢及锌垢为主要成份。

Ca（HCO3）2—→CaCO3↓＋H2O＋CO2↑

3Ca2+＋2PO43-—→Ca3（PO4）2↓

由于垢的产生会引起水冷设备换热效率下降，管线的阻力增大，导致循环水量减少或列管的堵塞等，敞开式循环冷却水系统中影响结垢的主要因素是冷却水pH值、Ca硬、总碱度、水温、流速及金属表面状况等。

循环水中钙硬度在200mg/LCaCO3左右，换热表面温度极高，极易成垢，而影响换热效率，造成生产能力下降。

1.3、粘泥：

所谓粘泥主要指的是金属列管等内壁附着的粘性物，粘泥主要由于细菌及藻类等微生物分泌产物同时粘附了水中悬浮杂质而形成，粘泥产生的后果与结垢一样会影响传热、堵塞列管、引起局部的腐蚀等危害。

影响粘泥生成主要因素与微生物总数、水温、pH、溶解氧、营养源及金属表面特性等有关。

1.4、腐蚀、结垢、粘泥对生产系统的影响：

热交换器效率降低

腐蚀热交换器泄漏

材质强度降低

热交换器堵塞

结垢水泵压力上升，流量降低

促进腐蚀

药剂消耗量增加

粘泥冷却塔效率降低

填料变形塌下

外观污染（视觉公差）

1.5、腐蚀、结垢、粘泥之间的关系：

以上三个问题是相互促进和关联的，腐蚀产物会催化结垢而且本身也是一种沉积物，垢下会加快局部腐蚀，生物粘泥会加快成垢速度而且与垢混杂在一起，又会造成腐蚀。

2、水质处理：

为了抑制循环冷却水所引起的腐蚀、结垢、粘泥等的危害，针对不同水质和操作条件，投加各种缓蚀剂阻垢剂及杀菌灭藻剂，来达到水处理的目的，除选用较好的水处理药剂外，还必须有一定的工艺过程和要求：

包括清洗、预膜和正常运行等几个方面。

2.1、清洗：

清洗的目的是为了去除系统中的设备金属表面的油污、浮锈、污垢及泥沙等杂质，以达到净化金属表面，确保系统预膜效果和药剂正常使用，如果清洗工作没做好，在换热器及管道内存有大量的油污、泥沙、浮锈等杂质，那么缓蚀性的保护膜就很难形成，就会使预膜效果下降，又会造成污垢沉积。

因此对合理使用水处理剂，发挥水处理剂正常效用，首先对系统进行清洗净化是非常必要的，也是必不可少的一道工序。

清洗工作分物理清洗和化学清洗二个步骤，根据系统不同，采取的方法也不同。

2.2、预膜：

预膜就是通过药剂预先在金属表面形成一层保护膜，防止腐蚀。

预膜过程又称基础投加处理，它与清洗过程一样，都是水处理技术中重要预处理过程之一，是否进行预膜，对缓蚀效果有明显的差别，两者相差可达20倍左右，一般预膜处理是加大缓蚀剂的初期投加浓度，使其快速成膜，以抑制初始阶段较高的腐蚀速度。

2.3、正常运行：

当预膜处理完成后，水处理剂从高浓度转入低浓度的处理称为正常处理，也称为正常运行。

在预膜处理的基础上，采用适当的水处理药剂配方，处理循环水系统的水质，以维持和修补系统内金属表面形成的保护膜，从而达到防腐、防垢和防止微生物生长的目的，这就是正常运行的作用。

正常运行应随水质和工艺条件不同而采用不同的水处理药剂配方。

2.3.1、缓蚀剂阻垢剂：

阻垢缓蚀剂集缓蚀、阻垢、分散性能于一体，其缓蚀机理为在活化的金属表面形成一层致密的沉淀型保护膜或表面络合物，从而阻止了金属的腐蚀；其阻垢分散机理为复合型药剂中的有效基团与循环冷却水中Ca、Mg离子发生螯合，在水垢产生过程中，它能吸附在结晶表面，使之不能正常生成，而发生晶格畸变，从而阻止了传热表面水垢的生成，或者是与Ca、Mg形成稳定的络合物，从而增加CaCO3等的溶解度，同时药剂能对微小晶粒起到有效的分散作用。

2.3.2、杀菌灭藻剂：

2.3.2.1、氧化型杀菌灭藻剂：

该杀菌灭藻剂为含氯杀菌剂，具有强烈的氧化性，是一种强氧化剂，能有效的抑制青苔、细菌、真菌等微生物的形成，避免水系统阻塞，确保管路畅通，同时又具有很好的缓蚀和污泥剥落效果。

2.3.2.2、非氧化型杀菌灭藻剂：

系统正常运行过程中，如长时间使用单一品种杀菌剂，容易使细菌产生抗

药性，影响化学处理效果，所以在化学处理过程中，常常用非氧化性杀菌灭藻剂与氧化性杀菌剂交替使用，提高杀菌灭藻及粘泥剥离处理效果。

非氧化型杀菌灭藻剂不是以氧化作用杀死微生物，而是以致毒作用于微生物的特殊部位，已达到杀菌灭藻的目的。

3、水质控制标准及要求：

工艺介质

管理项目

控制范围

循环冷却水

PH值

7～9

浊度

≤20mg/L

电导率

≤2500μs/cm

钙硬度

≤200mg/L

总碱度

≤250mg/L

氯离子

≤200mg/L

总铁

＜1.0mg/L

总磷

3～5mg/L

二氧化硅

＜175mg/L

余氯

0.3～0.8mg/L

碳钢挂片腐蚀率

＜0.075mm/年

不锈钢、铜挂片腐蚀率

＜0.005mm/年

4、常见故障及处理：

4.1、循环水水质指标出现异常时处理方案：

4.1.1、pH值、碱度指标出现异常：

在补充水pH正常的前提下，循环水pH、碱度在短时间内急速下降，应首先排查是否有酸性介质泄漏进入循环水系统，如果有泄漏，应迅速隔离泄漏设备，进行水质置换，同时适当提高药剂用量，如果pH值降至5以下，应考虑重新进行预膜或补膜处理。

循环水pH、碱度在短时间内较快升高，应排查是否有碱性物质泄漏进入循环水系统，如果有泄漏，应迅速隔离泄漏设备，大排大补，必要时加酸调节至正常范围。

循环水pH、碱度如果在一段时间内连续走低，应考虑是否有漏氨的发生，加大水质氨氮含量的测定频次，如果的确有漏氨发生，应查明泄漏源，尽可能隔离，同时加大杀菌灭藻剂的投加剂量及频次。

4.1.2、浊度指标出现异常：

在补充水浊度正常的前提下，循环水浊度在没有加入大剂量杀菌灭藻剂的前提下出现连续偏高，应检查旁滤设备工作是否正常，取旁滤设备进出口的水质化验其浊度变化，如设备工效较差可考虑更换滤料或增加旁滤水量。

如果旁滤设备工作正常，应考虑是否有漏油原因，可增加水中油含量测定，如果有应查明泄漏源，视泄漏情况，适当投加除油剂。

如果没有上述原因，应考虑循环水中细菌藻类及粘泥等繁殖物及悬浮物的影响，可增加粘泥量的测定频次，加大杀菌灭藻剂的投加剂量。

4.1.3、总铁指标出现异常：

在补充水中总铁未出异常的前提下，循环水中总铁指标偏高，预示着系统腐蚀速率增加，应加强旁路挂片监测工作，对采用的药剂缓蚀组份作相应的调整，或增加药剂投加剂量。

4.1.4、异养菌及粘泥量指标出现异常：

循环水中异养菌及粘泥量偏高时，应首先排查补充水中的异养菌数是否偏高，如果偏高应加强补充水的处理工作。

如果补充水未出现异常，应重点加强杀菌灭藻工作，加大杀菌剂量或频次，必要时更换杀菌灭藻剂品种，以防止抗药性的产生。

4.2、有机物料泄漏时处理方案：

当循环水出现浊度突然升高、生物粘泥量增高、水面有明显的漂浮物、循环水COD值明显升高时可以判定有机物料出现了泄漏事故，必须采取以下方案进行处理：

4.2.1、采用先总管后支管的方式测定循环水进出口的COD含量，查找泄漏点，一旦查出及时采取隔离、堵漏等措施。

4.2.2、对循环水加大置换，降低浊度。

4.2.3、提高正常运行药剂的浓度至冷态运行控制浓度，提高阻垢缓蚀性能。

4.2.4、提高氧化性杀菌剂的使用频率，或使用固活性杀菌剂来进行杀菌灭藻，在泄漏尚未排除期间，要求每3-5天投加一次，控制细菌的繁殖。

4.3、系统运行中出现腐蚀情况时的处理方案：

当循环水系统监测挂片数据表明腐蚀率连续偏高时，必须采取以下方案进行处理：

4.3.1、适当提高阻垢缓蚀剂的用量，适当提高总磷至控制值的上限。

4.3.2、加强循环水中总铁指标的监测，适当提高总铁分析频率。