浓缩倍数.doc

浓缩倍数（cyclw of concentratin）循环冷却水中，由于蒸发而浓缩的物质含量与补充水中同一物质含量的比值，或指补充水量与排污水量的比值。 　　
什么是浓缩倍数 　　在循环冷却水中，由于蒸发而浓缩的溶解固体与补充水中溶解固体的比值，或指补充水流量对排污水流量的比值。在实际测量中，通常为循环冷却水的电导率值与补充水的电导率之比。 　　提高冷却水的浓缩倍数的好处：提高冷却水的浓缩倍数，可以降低补充水的用量，节约水资源；提高冷却水的浓缩倍数，可以降低排污水量，从而减少对环境的污染和废水的处理量； 　　提高冷却水的浓缩倍数，可以节约水处理剂的消耗量，从而降低冷却水处理的成本；过多地提高冷却水的浓缩倍数的坏处：过多地提高冷却水的浓缩倍数，会使冷却水中的硬度、碱度太高，水的结垢倾向增大；
因此，我们要保证冷却水的处理效果，必须控制好冷却水的浓缩倍数，浓缩倍数是工业用循环水的一个重要指标，现在很多地方都采用氯根、Ca2+、Na+、K+测定，但是由于氯离子有人为添加的因素，所以用氯离子表示浓缩倍数的实际意义不大；一般来说，Ca2 是结垢因素，循环水在运行过程中或多或少会出现结垢现象，尤其在高浓缩倍数的情况下，因此用Ca2 测定出来的浓缩倍数会偏低；K 离子在水中的溶解度相当大，在运行过程中不会析出，同时补充水的K 也基本稳定，因此用K 测定出来的浓缩倍数较准确。
循环水浓缩倍数是指循环冷却水系统在运行过程中，由于水分蒸发、风吹损失等情况使循环水不断浓缩的倍率(以补充水作基准进行比较)，它是衡量水质控制好坏的一个重要综合指标。浓缩倍数低，耗水量、排污量均大且水处理药剂的效能得不到充分发挥；浓缩倍数高可以减少水量，节约水处理费用；可是浓缩倍数过高，水的结垢倾向会增大，结垢控制及腐蚀控制的难度会增加，水处理药剂会失效，不利于微生物的控制，故循环水的浓缩倍数要有一个合理的控制指标。

摘要：本文综述了浓缩倍数的控制意义，影响因素，浓缩倍数与节水量的关系,浓缩倍数的选择，以及理想浓缩倍数区间等,还介绍了提高浓缩倍数后的水质监测，以及辩证地理解提高浓缩倍数可以实现节水。
　　关键词：浓缩倍数;影响因素;节水量;浓缩倍数的选择;水质监测;理想区间;高浓缩倍数的相对性。
　　火电厂用水可分为生产用水和非生产用水两大块，生产用水在火电厂用水中约占95%。而在生产用水环节，采用循环冷却水系统的火电机组大多采用自然通风湿式冷却塔，仅个别电厂采用机械通风湿式冷却塔，其蒸发损失，风吹损失和排污损失约占全厂生产耗水量的70%，是循环冷却火电厂节水潜力的主要部分。根据火电厂实际运行情况，适当提高循环冷却水的浓缩倍数，是目前火电厂节水的一个主要方向。
　　一、浓缩倍数与控制浓缩倍数的意义
　　循环冷却水的浓缩倍数是该循环冷却水的含盐量与其补充水含盐量之比。
　　适当合理地提高循环水的浓缩倍数，可以降低补充水量，从而节约水资源，降低生产用水成本;还可以降低排污水量，从而减少对环境的污染和废水的处理量。此外，提高浓缩倍数还可以节约水处理剂的耗量，从而降低冷却水处理的成本。但是，过多地提高浓缩倍数会使循环冷却水中的硬度、碱度和浊度升高超限，水的结垢倾向增大很多，从而使结垢控制的难度变得太大;还会使循环冷却水中的腐蚀性离子(如：CL-、SO42-)和腐蚀性物质(如：H2S、SO2和NH3)的含量增大，水的腐蚀性增强，从而使腐蚀控制的难度增加;过多地提高浓缩倍数，还会使药剂(如聚磷酸盐)在冷却水系统内的停留时间增长而水解，因此，控制一个合理的浓缩倍数，对于循环冷却水系统的安全、经济、可靠运行十分重要，并不是冷却水的浓缩倍数愈高愈好。
　　二、浓缩倍数影响因素分析
　　在敞开式循环冷却水系统中，浓度倍数是一项最重要的经济指标之一，循环冷却水系统的补水量主要由蒸发损失水量、排污损失水量、风吹损失水量、泄漏损失水量组成，随着浓缩倍数的适量提高，重复利用率增加，排污水量减少，从而达到节水目的。而浓缩倍数究竟选用多大，是由浓缩后的水质情况决定的，浓缩倍数能达到多大，则取决于蒸发水量，排污水量，系统容积以及系统泄漏等方面。现对影响浓缩倍数的因素作以分析，以更加有效地掌握和测定浓缩倍数的允许提高范围及最佳浓缩倍数区间。
　　1、浓缩倍数与本地区水质的关系
　　对于不同的水体，其水质有较大差别，因此对浓缩倍数的要求应视具体水质情况决定。对于敞开式循环冷却水系统的浓缩倍数，究竟选用多大合适，必须首先分析浓缩蒸发后的水质情况，因为水中有害离子CL-、成垢离子Ca2+、Mg2+等含量过高，会产生腐蚀和结垢倾向，则浓缩倍数不宜过高，以免增加腐蚀和结垢速率，另外浓缩倍数过高，增加水在系统中的停留时间，不利于微生物的控制。
　　2、系统容积的影响
　　根据浓缩倍数的定义，当排污水量B一定时，系统达到一定浓缩倍数所需要时间与系统的容积V成反比，V/R值越小，则需要的时间越短，相应V/R值越小，达到相应的浓缩倍数值的时间就越短，系统外排水影响就越小，越易提高浓缩倍数。
　　3、蒸发水量的影响
　　由冷却塔物料平衡可推导出浓缩倍数K与蒸发水量E的关系式为“K=E/B+1”，而蒸发水量“E=R•Δt/r”.在一定的环境温度和设定循环水量的条件下，浓缩倍数K与冷却塔的进出口温差Δt成正比，与排污水量B和水的汽化潜热r成反比，即，提高K必须增大Δt，减少B，即增大冷却塔进出口温差，减少排污水量。因此在冷却水系统设计时，必须充分考虑热负荷，保证冷却塔实际运行温差等于设计温差。
　　4、排污水量对浓缩倍数的影响
　　由冷却塔物料平衡推导出浓缩倍数与冷却塔排污水量B的关系式“K=E/B+1”可以看出，浓缩倍数与排污水量成反比，即，降低排污水量，就能有效提高浓缩倍数。
　　三、浓缩倍数与节水量的关系
　　现在从节约水资源的角度看一下补充水量M与循环水量R的百分比M/R与浓缩倍数K的关系，以及每提高一个浓缩倍数单位时节约的补充水百分比(以占循环水量的百分比表示)Δ(M/R)/ΔK与浓缩倍数K的关系。
　　为了有一个定量的概念，我们用西固热电公司二厂冬季循环冷却水系统为例来说明。今设循环冷却水系统的循环水量R为10000m3/h(为计算方便选用此值，实际值在11000—12000m3/h之间)，冷却塔进出口水温分别为33℃和18℃，(2005年11月7日22：00值)来计算当K分别为1.5–10.0时的补充水量M、排污水量B以及补充水量与循环冷却水量的百分比M/R.
　　现以K=2.0来计算:
　　蒸发损失水量E=RCPΔt/r=10000×4.187×(33-18)/2401=261.6(m3/h)
　　风吹损失水量(按0.05%R计)D=10000×0.05%=5.0(m3/h)
　　总排污水量BT=E/(K-1)=261.6/(2.0-1.0)=261.6(m3/h)
　　排污水量B=BT-D=261.6-5.0=256.6(m3/h)
　　补充水量M=E+BT=261.6+261.6=523.2(m3/h)
　　现把K分别为1.5、2.0、3.0-10.0时的M、B﹑﹙M/R)和Δ(M/R)/ΔK的计算结果列于表1。
　　表1不同浓缩倍数下冷却水运行参数的计算值
　　K
　　1.0(直流水) 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 10.0
　　循环冷却水量R(m3/n) 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000
　　冷却塔进出口温差△t(℃) 15 15 15 15 15 15 15 15 15
　　蒸发损失水量E(m3/h) 0 261.6 261.6 261.6 261.6 261.6 261.6 261.6 261.6
　　风吹损失水量D(m3/h) 0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 50 5.0 5.0
　　排污水量B(m3/h) 10000 518.2 256.6 125.8 82.2 60.4 47.3 38.6 24.1
　　总排污水量BT(m3/h) 10000 523.2 261.6 130.8 87.2 65.4 52.3 43.6 29.1
　　补充水量M(m3/h) 10000 784.8 523.2 392.4 348.8 327 313.9 305.2 290.7
　　排污水量占循环水量百分比B/R% 100 5.2 2.6 1.3 0.8 0.6 0.5 0.4 0.2
　　补充水量占循环水量百分比M/R% 100 7.8 5.2 3.9 3.5 3.3 3.1 3.1 2.9
　　[△(M/R)/△K](%) - - 94.8 1.31 0.44 0.22 0.13 0.09 0.05
　　四、浓缩倍数的选择
　　从表1中可以看到：
　　(1)随着循环水浓缩倍数的增大，冷却水系统的补水量M和排污水量B都不断减少，因此，提高冷却水的浓缩倍数，可以节约水资源。

　　(2)但是，每提高一个浓缩倍数单位(△K=1)所降低的补充水量的百分比[△(M/R)/△K]则随浓缩倍数的增加而降低。当浓缩倍数由1.0提高至2.0时，补充水量M由10000m3/h降低至523.2m3/h，故有
　　△(M/R)/△K=(10000523.2/10000)/(2.0-1.0)×100%=94.8%
　　当K由2.0提高至3.0时，则有
　　△(M/R)/△K=(523.2-392.4/10000)/(3.0-2.0)×100%=1.31%
　　当浓缩倍数K由3.0提高至4.0时，则有
　　△(M/R)/△K=(392.4-348.8/10000)/(4.0-3.0)×100%=0.44%
　　当浓缩倍数K由4.0提高至5.0时，则有
　　△(M/R)/△K=(348.2-327/10000)/(5.0-4.0)×100%=0.22%
　　由以上计算分析可以看到：
　　1、在低浓缩倍数时，提高浓缩倍数的节水效果比较明显;但当浓缩倍数提高到4.0以上时，再进一步提高浓缩倍数的节水效果就不太明显了。例如把上述循环冷却水系统的浓缩倍数由4.0提高至5.0时，节约的水量仅占循环水量的0.22%。因此，一般循环冷却水系统的浓缩倍数通常控制在2.0-4.0左右。
　　2、与直流冷却水系统相比，即使选用较低的浓缩倍数，如仅为1.5，但此时补充水即可节约92.2%(100%-7.8%)。由此可见，从节约水资源的角度来考虑，把直流冷却水系统改造为浓缩倍数不太高的循环冷却水系统，就可节约大量的淡水资源。因此，对直流冷却水系统的改造与不改造(为循环冷却水系统)是大不一样的。西固热电公司一厂冷却水系统原为直流式，因系统选用方式，系统的泄漏及节水意识不强等原因使一次水耗量过大。随着电力体制的改革及市场经济效应，加之对循环冷却水系统认识的提高，公司于2002年将一厂冷却水系统改造为循环冷却水系统，采用自然通风湿式冷却塔，浓缩倍数一般在1.8-2.0，一次水耗量由改造前的9710T/h降低为6000T/h，按当时的一次水价0.4元/吨水计算，全年为公司节约一次水量3250万吨，节约一次水费1300万元，数目相当可观，效益十分明显。
　　五、理想浓缩倍数区间的界定
　　由以上分析可认为，从节水考虑理想的浓缩倍数值是指在保证循环水系统设备不结垢和不产生腐蚀情况下的最大K值。但就实际运行工况而言，由于影响浓缩倍数的因素较多，很难始终将某一循环冷却水系统的浓缩倍数控制在一个定值，在实际操作中只能寻求一个理想的浓缩倍数区间。不同的水体水源，不同的循环冷却水系统参数，将决定不同的理想浓缩倍数区间。从节水、降药耗，减轻排污处理量角度考虑，通过动态试验，可制定出某一循环冷却水系统理想浓缩倍数区间，在实际运行中，尽量使循环冷却水系统保持在理想浓缩倍数高限值附近，并做好系统水质监测，结垢和腐蚀情况的检查，修正不同工况下的最佳浓缩倍数值，将会使提高浓缩倍数后的循环冷却水系统在安全可靠运行下实现最大节水目标。
　　六、辨证地理解提高浓缩倍数，实现节水量
　　高浓缩倍数在实际循环冷却水系统运行中是相对而言的，由于气温的影响，正常运行工况下，夏季循环冷却水浓缩倍数要高于冬季浓缩倍数好几倍，由于夏季蒸发损失水量大，浓缩倍数在很短的周期内达到控制高限值时及时通过排污置换来终止浓缩倍数的继续上升，确保循环冷却水水质在控制指标范围内。下面通过简要分析来说明如何辨证地看待高浓缩倍数对节水量的意义。
　　1、冬季浓缩倍数低的原因分析
　　在循环冷却水的冷却过程中存在三大传热，即蒸发散热，接触传热和辐射传热，在一般的冷却过程中，辐射传热作用不大，可忽略，水的冷却主要通过蒸发散热和接触传热来完成。
　　1)水的蒸发散热
　　如不做精确计算，冷却塔的蒸发水量可由经验公式计算：
　　E=(0.1+0.002θ)RΔt/100
　　式中：E—蒸发损失水量m3/h，R—循环水量m3/h，θ—空气干球温度℃
　　Δt—冷却塔进出口温差，℃
　　以西固热电公司二厂循环冷却水系统为例：
　　夏季平均θ值：27℃Δt=15℃
　　则：E夏=(0.1+0.002×27)×15×10000/100=231吨
　　冬季平均θ值：-5℃Δt=15℃
　　则：E冬=[0.1+0.002×(-5)]×15×10000/100=149吨
　　由以上计算可以看出，冬季蒸发水量小，夏季蒸发水量大，循环水的浓缩程度冬季小于夏季。
　　2)水的接触传热
　　接触传热是传导和对流两种方式的总称。在水的冷却过程中，由于较高温度的水与较低温度的空气接触，温差成为传热的推动力，接触传热热量可以由下式求得：
　　q传=a(t交-θ)
　　式中：a—传热系数
　　t交—水汽交界面温度℃
　　θ—空气的干球温度℃
　　夏季t交平均39℃,冬季t交平均31℃，则
　　q传.夏=(39-27)a=12a
　　q传.冬=[31-(-5)]=36a
　　q传.冬/q传.夏=3.0
　　从以上分析可以看出，传热散热量冬季比夏季大3倍，水汽交接面与空气形成的温差越大，接触传热量就越大，冬季传热散热作用大，可达总散热量的70%左右，夏季因水汽界面温度与空气形成的温差小，其传热散热量只占总散热量的10-20%。
　　总散热量E=E蒸+q传，所以夏季冷却水的蒸发量大，冬季冷却水的蒸发量小。

　　2、夏、冬季冷却塔的水量损失比较
　　冷却塔的水量损失包括蒸发损失、风吹损失和排污损失。
　　1)蒸发损失水量。由以上计算得知，E夏=231吨，E冬=149吨。
　　2)风吹损失水量。对于自然通风湿式冷却塔的风吹损失水量，夏、冬季差别不大。约为循环水量0.02%～0.05%。
　　3)排污损失水量：西固热电公司二厂循环冷却水系统运行以来，对排污水量在2003年曾作过跟踪统计，其中夏季正常排污周期约为216h，排污水量236T/h，排污时间38h。洪水期间排污水量相对增加，排污周期缩短，冬季在正常情况下基本是“零排污”，浓缩倍数稳定在2.63-2.81。
　　4)从排污损失水量上来分析,夏季由于蒸发作用显著,循环水更易浓缩,其达到控制浓缩倍数上限的时间也更快,排污损失水量相对较大,补充水量也愈大。
　　3、冬季浓缩倍数比夏季浓缩倍数低的结论。
　　夏.冬季浓缩倍数不同的原因是由于主导散热方式的差异造成损失水量的不同，损失水量的不同造成补充水量的不同，因而浓缩倍数不同。在无排污，溢流的情况下，只是由于气温的差异，蒸发水量夏季大，循环冷却水浓缩程度就相对大，浓缩倍数相对高。所以，正常运行情况下，K冬< p>
　　4、结论
　　1)由于气温的差异，散热主导方式的不同，夏季浓缩倍数在相同的运行周期内较冬季浓缩倍数高，在无排污前提下，夏季蒸发水量由于较冬季大，为保证冷却塔池正常水位，其夏季的补水量相应较冬季补水量高。从节水角度讲，夏季浓缩倍数高于冬季浓缩倍数(同一运行同期段，)，但夏季补充水量相应高于冬季补充水量，从这种情况来看，高浓缩倍数不一定节水，西固热电公司二厂循环冷却水系统夏季浓缩倍数保持在2.0-3.0，通常控制在3.0，补水量为523T/h;冬季浓缩倍数保持在2.63—2.81，通常在2.76，补充水量为310T/h。
　　2)在夏、冬季气温差别较大的地区，不能简单地以浓缩倍数的高低来衡量是否节水，而要从实际的补水量来判断。
　　3)通过提高浓缩倍数来实现节水量，是在同一运行工况参数范围内讲的。例如在夏季，把浓缩倍数由1.5提高至3.0，会实现明显的节水，亦即提高K值可实现节水量;在冬季，将浓缩倍数由2.0提高到2.70，同样会实现明显节水量。但是在把冬季工况下的浓缩数如2.5与夏季工况下的浓缩倍数3.0相比较，冬季低浓缩倍数反而较夏季高浓缩倍数节水,所以，应当辨证地对待提高浓缩倍数可以实现节水这一论断。
　　七、提高浓缩倍数工况下的水质监测控制
　　浓缩倍数最终选用多大值是与浓缩后的水质状况密切相关的，当浓缩倍数提高后，水中的硬度及碱度﹑PH值﹑浊度﹑溶解O2浓度及含盐量进一步增加，另外还存在有害物质(如H2S，SO2、NH3)的进入以及微生物的生长。水体中有害的CL-﹑成垢离子Ca2+﹑Mg2+含量过高情况下，系统腐蚀及结垢的倾向增大，所以提高浓缩倍数后对水质指标的监测控制要高度重视，避免因水质控制不当而影响系统运行的安全稳定性。
　　(一)浊度的监测
　　循环水的浊度主要来自于补充水的浊度，另外，冷却塔周边环境污染物的进入亦会增加水体浊度，在春季西北大部分地区存在扬尘和风沙天气，对水体浊度都存在影响，随着浓缩倍数的提高，水体总的浊度值在增加，在凝结器等换热设备的高端水流缓慢带会增加粘泥的沉积，同时对换热管子的冲刷加剧，影响凝结器铜管的通流面积，传热效率下降。这些因素都不利于换热设备的安全，高效运行，因此在K提高后，要加强对水质浊度的监测，保证在允许指标下运行，西固热电公司二厂循环水浊度控制在≤20FTU。
　　(二)硬度，碱度的监测
　　在提高浓缩倍数后，循环冷却水的硬度，碱度值会更高，为保证循环冷却水系统取得良好的运行效果，对于循环水中的各种杂质有限制性要求，这种限制性的控制指标就是水质控制的边界条件，如果超过限制值，就会给循环水带来危害，除了需要限制硬度，碱度的最高允许含量外，还要控制其最低允许含量，因为含量过低可能会造成系统的腐蚀，通过对西固热电公司二厂循环水系统所做的挂片试验，发现碱度指标对系统的腐蚀影响较明显，随着碱度的降低，腐蚀倾向明显增加，实际运行工况中，对硬度，碱度值一般根据CaCO3、CaPO4的饱和指数进行控制，西固热电公司二厂循环水碱度、硬度控制为：
　　在硬度低于450mg/l时，碱度控制在350-400mg/l;
　　在硬度高于450mg/l时，碱度控制在300-350mg/l。
　　(三)铁含量的监测
　　循环水中总铁的含量变化反映了系统中腐蚀抑制的情况(补充水情况变化除外)，如果总铁含量不断上升，说明系统中存在铁的不断溶解，系统有腐蚀发生，西固热电公司二厂循环水系统通过投加复合配方缓蚀阴垢剂及很好的铜管预膜工作，循环水中Fe2+含量在0.5mg/l左右，腐蚀速率0.035mm/a，水质的稳定处理效果比较理想。
　　(四)电导率的监测
　　循环冷却水浓缩倍数的提高，其对水中含盐量的增加影响十分明显，很多火电厂采用先进的循环水在线电导率跟踪分析监测，当水质的电导率达到规定值时便自动启动排污系统，并且根据不同工况下的循环水质及时调整电导率的控制值，通过对循环水中含盐量的灵敏跟踪监测，确保循环水水质在高浓缩倍数下不对系统产生结垢腐蚀。
　　(五)对COD的监测
　　COD指标反映了循环水中有机物的含量高低，试验表明，随着COD的增大，循环水对碳钢设备的腐蚀率增加，但增加的幅度并不是很大，它不是影响碳钢腐蚀的直接关键因素，但随着浓缩倍数提高，COD增大，细菌生产和繁殖加快，产生的粘泥导致垢下腐蚀，使腐蚀增加。所以，尽管COD不是影响腐蚀的关键因素，但由于粘泥的产生造成的腐蚀比较严重，因此在浓缩倍数提高后，对COD要重视，一旦系统水体中COD突然上升，必须及时查漏，防止一些有机物质漏入循环水中污染水体。
　　八、实例与结论
　　今以西固热电公司二厂循环冷却水系统为例说明提高浓缩倍数对实现节水目标的重要意义。1999年，循环冷却水系统投运初期，浓缩倍数控制在1.5-2.5，补水量大，很不经济。2003年初，经过对循环冷却水系统的运行总结分析试验，将浓缩倍数提高至2.5-3.0，正常运行工况下保持K在高限值附近，通过实际验证，节水量明显。
　　今取循环冷却水量R值为10000m3/h△t=15℃计，则
　　蒸发损失水量E=RCp△t/r=10000×4.187×15/2401=261.5吨1999年-2002年末,浓缩倍数平均2.0(夏季值)，由表1可知相应的补充水量为523.2m3/h。
　　2003年初至今，浓缩倍数平均2.98(夏季值)，则
　　总排污水量B=E/(K-1)=261.5/(2.98-1)=132m3/h
　　补充水量M=E+B=261.5+132=393.5m3/h
　　在浓缩数由1999年的平均2.0提高至2003年的2.98后，每小时的节水量为130吨，每天节约水3120吨，按当时的水价0.4元/吨水计算，年节约水费约45.55万元，经济效益明显。
　　九.结论
　　通过以上对循环冷却水系统的分析研究，笔者认为，提高循环冷却水的浓缩倍数，不仅可以降低补充水量，节约水资源，还可以降低排污水量，减轻污水处理负担，同时对降低药耗效果明显，节约水处理成本。而浓缩倍数究竟应提高到多大，必须首先做好浓缩后的水质分析，在安全水质前提下，将浓缩倍数尽可能调整至极限理想浓缩倍数区间值，以最大限度地节水降耗。在提高浓缩倍数后，结合其影响因素，严格地监测好各项水质指标，实现既节约水资源，又能对系统的安全运行得到保证。随着循环冷却水处理技术的不断发展创新，高效的复合配方缓蚀阻垢剂的出现，为提高浓缩倍数，实现节水目标创造更加安全﹑有利的条件。对提高浓缩倍数实现节水只要有一个正确的认识，加上科学完备的用水管理，火力发电企业在循环冷却水方面的节水工作就一定能购取得更加良好的经济效益。
　　参考文献：
　　[1].周本省，工业水处理技术，化学工业出版社，2003.
　　[2].李本高等，现代工业水处理与应用，中国石化出版社,2004.