способ уменьшения коррозии, образования отложений и снижения потребления воды в системах башен для охлаждения

Формула изобретения

1. Способ отслеживания и контроля испарительной рециркуляционной системы водного охлаждения, в котором указанная система включает компоненты, включающие поток рециркулирующей воды, источник подпиточной воды и поток подпиточной воды, при этом способ включает:

(a) средства для понижения жесткости и основности потока подпиточной воды;

(b) средства для понижения коррозионной активности потока подпиточной воды после обработки при помощи средств на стадии (а);

(c) средства для измерения химического состава и/или рабочих характеристик источника подпиточной воды, потока подпиточной воды и/или потока рециркулирующей воды;

(d) средства определения того, попадает ли измеренный химический состав и/или рабочие характеристики в оптимальный диапазон; и

(e) средства для регулирования одного или более рабочих параметров системы.

2. Способ по п.1, в котором средства для понижения жесткости и основности потока подпиточной воды включают ионообменное устройство.

3. Способ по п.1, в котором средства для измерения химического состава и/или рабочих характеристик источника подпиточной воды, потока подпиточной воды и/или для определения того, попадают ли рабочие характеристики в оптимальный диапазон, включают один или более сенсоров, связанных с контроллером.

4. Способ по п.1, в котором параметры химического состава и/или рабочие характеристики выбраны из группы, состоящей из pH, проводимости, жесткости, основности, коррозионной активности, способности к образованию отложений и их комбинаций.

5. Способ отслеживания и контроля испарительной рециркуляционной системы водного охлаждения, в котором указанная система включает компоненты, включающие поток рециркулирующей воды, источник подпиточной воды, поток подпиточной воды, необязательный источник добавок и контроллер, связанный с по крайней мере одним из компонентов, при этом способ включает:

(a) управление испарительной рециркуляционной системой водного охлаждения;

(b) измерение множества характеристик потока рециркулирующей воды, потока подпиточной воды и/или источника подпиточной воды;

(c) передачу измеренного множества характеристик контроллеру;

(d) определение, соответствуют ли переданное измеренное множество характеристик заранее выбранным критериям; и

(e) если переданное измеренное множество характеристик не соответствует заранее выбранным критериям:

(i) активацию одного или более устройств, обеспечивающих взаимодействие между потоком подпиточной воды из источника подпиточной воды и ионообменным устройством, причем указанное ионообменное устройство включает ионообменные материалы, содержащие первый ионообменный материал и второй ионообменный материал, при этом первый ионообменный материал содержит катионообменный материал, а второй ионообменный материал содержит анионообменный материал,

(ii) необязательную активацию источника добавок для введения одной или более добавок в испарительную рециркуляционную систему водного охлаждения, и

(iii) необязательную активацию одного или более контрольных действий.

6. Способ по п.5, включающий средства для регенерации ионообменного материала в случае понижения ионообменной способности указанного материала.

7. Способ по п.5, включающий множество различных ионообменных материалов, при этом каждый ионообменный материал способен по отдельности взаимодействовать с потоком подпиточной воды.

8. Способ по п.5, в котором катионообменный материал содержит катионообменный материал на основе слабой кислоты.

9. Способ по п.5, в котором контрольное действие выбрано из группы, состоящей из контроля продувочного блока; регулирования обходного потока неочищенной воды в систему; регулирования введения добавок в систему или их удаления из системы; регулирования добавления СО₂ или других веществ, содержащих углерод, или их удаления из системы;

смешивания неочищенной воды с подпиточной водой; регулирования дозировки добавок, контролирующих образование отложений, коррозию, и/или биорегулирующих добавок при помощи источника добавок; и их комбинаций.

10. Способ по п.5, включающий реализацию способа с использованием сетевого подключения, в котором сетевое подключение включает один или более сенсоров, дополнительных контроллеров, цифровых носителей информации и/или каналов связи.

11. Способ по п.10, в котором сетевое подключение представляет собой подключение к Интернету.

12. Цифровой носитель информации, на котором хранятся инструкции, выполняемые компьютером, используемые для реализации способа по п.1.

13. Устройство для работы испарительной рециркуляционной системы водного охлаждения для осуществления способа по п.5, в котором указанная система включает компоненты, включающие поток рециркулирующей воды, источник подпиточной воды, поток подпиточной воды и контроллер, при этом устройство включает:

(a) отслеживающее устройство, связанное с контроллером, которое способно измерять одну или более характеристик потока рециркулирующей воды, потока подпиточной воды и/или источника подпиточной воды;

(b) передающее устройство, связанное с контроллером и способное передавать измеренные характеристики от отслеживающего устройства к контроллеру, при этом контроллер способен выполнять инструкции для определения того, соответствуют ли измеренные характеристики заранее выбранным критериям, и инициировать передачу инструкций или данных к любому компоненту или устройству в системе;

(c) принимающее устройство, связанное с контроллером и способное принимать переданные инструкции или данные от любого компонента или устройства в системе;

(d) ионообменное устройство, связанное с контроллером, которое включает ионообменный материал и способно активироваться при помощи переданных инструкций, полученных от контроллера, и обеспечивать взаимодействие потока подпиточной воды с ионообменным материалом, в котором ионообменное устройство способно регулировать набор характеристик;

(e) необязательный источник добавок, способный регулировать один или более уровней концентраций добавок в рециркулирующем потоке охлаждающей воды; и

(f) один или более необязательных механизмов для активации одного или более контрольных действий.

14. Устройство по п.13, в котором ионообменное устройство включает множество различных ионообменных материалов, при этом каждый материал способен по отдельности активизироваться и взаимодействовать с потоком подпиточной воды.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение в общем случае относится к способам отслеживания и контроля коррозии, образования отложений и потребления воды в испарительных рециркуляционных системах водного охлаждения. Более конкретно, изобретение относится к способам отслеживания и контроля таких характеристик при помощи направления потока подпиточной воды в ионообменное устройство. Данное изобретение в особенности относится к автоматическим способам.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Использование открытой рециркуляционной системы водного охлаждения представляет собой широко используемый способ удаления отработанного тепла в самых разнообразных процессах. В случае идеально эффективной открытой рециркуляционной системы вся подпиточная вода будет использована для охлаждения испарением при отсутствии продувки. В действительности ни одна система не достигает такого уровня эффективности. Всегда имеют место случайные потери воды, такие как вызванные потерей увлекаемой воды из башни для охлаждения (унос) или утечками. Кроме того, также происходит контролируемое удаление из башни или «продувка», что необходимо для ограничения накопления растворенных веществ, которые приводят к появлению отложений и/или коррозии компонентов системы.

Для уменьшения негативного влияния отложений, коррозии и микробиологической активности рециркулирующей воды в систему вводят химические добавки. Данные добавки обычно добавляют со скоростью, необходимой для поддержания относительно постоянной концентрации в рециркулирующей воде. Необходимая дозировка определяется интенсивностью обработки, соответствующей условиям, созданным химической, физической и микробиологической средой рециркулирующей воды. Для достижения этой цели скорость прибавления, как правило, контролируют для восполнения количества добавок, поглощенных в рециркуляционной системе, и добавок, удаленных с продувочным потоком. Следовательно, уменьшение расхода продувочного потока понижает скорость введения химических веществ для обработки, необходимую для поддержания требуемой дозировки.

Использование способов обработки воды для удаления растворенных веществ из подпиточной воды известно и описано в литературе. Эти способы охватывают весь диапазон известных способов и включают фильтрование, осаждение, а также способы на основе мембранного и ионного обмена, каждый из которых приводит к получению воды с различными характеристиками. Однако удаление всех растворенных веществ из подпиточной воды не является необходимым или даже желательным. Растворимость различных неорганических веществ, потенциально способных вызывать появление отложений, изменяется в широких диапазонах, а некоторые растворенные вещества способствуют ингибированию коррозии. Полностью очищенная вода представляет собой достаточно сильный коррозионный агент, и ее сложно обрабатывать. Идеальный способ предварительной обработки должен понижать содержание или полностью удалять проблемные компоненты и поддерживать или увеличивать концентрацию желаемых.

С точки зрения состава воды система башен для охлаждения с предварительной обработкой подпиточной воды состоит из трех зон с разными условиями: (i) неочищенная вода до блока предварительной обработки; (ii) обработанная подпиточная вода перед смешиванием с концентрированной башенной водой; и (iii) смешанная и концентрированная башенная вода. Неочищенная вода имеет состав исходной воды, состав обработанной подпиточной воды определяется характеристиками способа предварительной обработки, а состав смешанной башенной воды определяется всем процессом работы системы башен для охлаждения. Данные потоки могут отличаться высокой объемной скоростью потока и могут взаимодействовать с технологическими материалами, которые подвержены влиянию коррозии, такими как железные, гальванизированные или медные сплавы. Заменять эти большие блоки коррозионно-стойкими материалами зачастую невыгодно, поэтому контроль коррозионной активности воды в каждой из трех зон становится особенно важным.

При сравнении систем охлаждения с проведением предварительной обработки или без нее важно включать в рассмотрение всей работы системы охлаждения эксплуатационные требования системы предварительной обработки. Например, хотя включение стадии предварительной обработки может позволить уменьшить или удалить продувочный поток из системы охлаждения, стадия предварительной обработки может характеризоваться собственными требованиями к продувочному потоку, которые могут частично или полностью перевешивать преимущества в экономии воды, достигаемые за счет башни для охлаждения. Для непрерывной работы большинство стадий предварительной обработки требуют использования химических веществ для обработки или восстановления.

Предшествующий уровень техники, к которому относится изобретение, в основном включал в себя работу систем охлаждения с использованием способов обработки подпиточной воды на основе осаждения, таких как известкование воды, мембранных способов, таких как обратный осмос, и ионообменных способов. Существует большое количество способов на основе осаждения, которые хорошо известны и широко используются на практике. По сравнению со способом по данному изобретению они относятся к крупномасштабным производствам, которые требуют тщательного контроля за прибавлением смягчающих химических веществ, производят твердые отходы в больших количествах и зачастую приводят к получению нестабильной воды, склонной к образованию отложений. Мембранные способы, в частности те, в которых используется обратный осмос, также известны в данной области техники как пригодные для предварительной обработки подпиточной воды в системах охлаждения. Однако мембранные способы подвержены образованию отложений и загрязнению, требуя продувки в большей степени, чем это необходимо в случае башен для охлаждения, в которых используют необработанную подпиточную воду. Способы на основе обратного осмоса приводят к получению воды высокой чистоты. Эта высокочистая вода обладает преимуществом, которое заключается в том, что она содержит мало коррозионных ионов. Также удаляются и ингибирующие ионы, и при использовании в системах охлаждения эта высокочистая вода, как правило, обладает достаточно высокой коррозионной активностью и ее сложно обрабатывать. Как будет описано дальше, способ по настоящему изобретению преодолевает ограничения этих двух широко используемых способов из предшествующего уровня техники.

Существует много ионообменных способов, известных из предшествующего уровня техники. Все вместе они включают катионо- и анионообменные способы, а также их сочетания. Катионо- и анионообменные смолы дополнительно подразделяются на катионообменные смолы на основе сильных и слабых кислот и анионообменные смолы на основе сильных и слабых оснований (The Nalco Water Handbook, 1998, 2-12 Ion Exchange , McGraw-Hill, 1998). Некоторые из этих способов использовали для предварительной обработки подпиточной воды в системах охлаждения. Хорошо известный и широко используемый способ обработки подпиточной воды для башен для охлаждения заключается в использовании натрий-катионного смягчения для удаления жесткости (J.P. Wetherell и N.D. Fahrer, Recent Developments in the Operation of Cooling Tower Systems with Zero Blowdown, Cooling Tower Institute, TP-89-13, 1989). Этот способ включает пропускание неочищенной воды через катионообменную колонку на основе сильной кислоты ( SAC ), насыщенную ионами натрия. В воде, полученной при помощи этого способа, ионы жесткости (например, Ca⁺², Mg ⁺²) практически полностью заменены ионами натрия, в результате чего вода не приводит к образованию отложений, в частности кальциевых отложения, таких как CaCO₃ и другие. Содержание анионов в воде остается неизменным. В случае обработки подпиточной воды для башен для охлаждения данный подход страдает от некоторых ограничений и недостатков. Поскольку коррозионные анионы (например, Cl^-, SO₄ ^-2) не удаляются из подпиточной воды, они могут накапливаться в концентрациях, вызывающих проблемы в башне для охлаждения.

Более того, на коррозионную активность природных вод по отношению к углеродной стали сильно влияние оказывает соотношение коррозионных ионов к ингибирующим ионам (например, CO₃ ^-2) в воде (T.E. Larson и R.V. Skold, Laboratory Studies Relating Mineral Quality of Water to Corrosion of Steel and Cast Iron, 1958, Illinois State Water Survey, Champaign, IL стр. [43]-46: ill. ISWS C-71). Если в исходной воде это соотношение неблагоприятно, обработка не приведет к его улучшению. Другой недостаток заключается в том, что для регенерации смолы необходим большой избыток соляного раствора (как правило, в три раза больше, чем абсорбированных ионов жесткости), что может привести к значительным проблемам с выбросом. Вариация данного способа описана в заявке на патент США № 6929749 B2, поданной Duke, в которой для контроля коррозии используют высокую концентрацию силиката (>200 мг/л SiO ₂) и повышенное значение pH (>9,0).

Обесщелачивание при помощи слабой кислоты представляет собой хорошо известный способ обработки подпиточной воды для котла. Его также использовали для предварительной обработки подпиточной воды в системах охлаждения (см. заявку на патент США № 6746609, поданную Stander и заявку на патент США № 4532045, поданную Littmann). Этот способ включает пропускание неочищенной воды через колонку, содержащую катионообменную смолу на основе слабой кислоты ( WAC ) в водородной или протонированной форме. Карбонатные и бикарбонатные ионы в неочищенной воде способны извлекать ионы водорода из смолы на основе слабого основания, в результате карбонаты и бикарбонаты превращаются в угольную кислоту (т.е. H₂ CO₃) и на смоле образуются заряженные участки. Заряженные участки затем абсорбируют катионы, отдавая предпочтение двухзарядным ионам жесткости. Вода, полученная при помощи этого способа, обладает некоторой кислотностью со значением pH от 3,5 до 6,5 (в зависимости от степени истощения колонки) и жесткостью, пониженной пропорционально понижению основности. При истощении ионообменную смолу регенерируют при помощи сильной кислоты. Преимущество использования смол WAC заключается в том, что регенерация происходит более эффективно и требуется меньший избыток регенератора.

Вода, полученная при помощи данного способа, обладает достаточно сильно коррозионной активностью по отношению ко многим стандартным конструкционным материалам, и способы, раскрытые в заявках на патент США № 5730879, поданной Wilding, № 6746609, поданной Stander, и № 4931187, поданной Derham, относятся к контролируемому обходу обесщелачивающих систем для достижения желаемых значений pH и основности в башне для охлаждения. Однако вода сохраняет высокую коррозионную активность по отношению к металлам в области между блоком для обработки и башней для охлаждения, где происходит смешивание. Wilding, Stander и заявка на патент США № 5703879, поданная Baumann, также описывают использование для данных целей катионообменников на основе сильных кислот.

Также было описано использование анионообменных смол для обработки подпиточной воды систем охлаждения. Заявки на патент США № 5820763, поданная Fujita, и № 5985152, поданная Otaka, а также JP 6-158364 описывают способ, заключающийся в пропускании подпиточной воды через анионообменную смолу на основе сильного основания ( SBA ), насыщенную бикарбонатом. Обменный процесс удаляет коррозионные хлоридные и сульфатные ионы и заменяет их на ингибирующие бикарбонатные ионы, понижая коррозионную активность воды. При истощении смолу регенерируют при помощи бикарбонатной соли, такой как бикарбонат натрия. Селективность смолы по отношению к ионам Cl^- и SO₄ ^-2 приводит к тому, что для регенерации требуется большой избыток бикарбоната натрия.

Таким образом, существует потребность в улучшенных способах удаления веществ, приводящих к образованию отложений и коррозии, из воды в рециркуляционных системах водного охлаждения. Более важно разработать способы обработки воды для получения идеальной смеси ионных компонентов так, чтобы не было необходимости в прибавлении подпиточной воды или избыточной продувке.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение раскрывает улучшенный способ работы систем башен для охлаждения. Помимо понижения коррозионной активности воды и ее способности к образованию отложений способ дополнительно устраняет или понижает выброс или «продувку», не создавая каких-либо локальных условий для образования отложений или коррозии в результате обработки. Описанная система измерения и контроля в общем случае включает набор измерений, средство обеспечения управляющей логики и набор контрольных действий. Измерения могут состоять из физических измерений скоростей потока, химических измерений состава воды и измерений параметров, связанных с производительностью, таких как коррозионная активность воды или ее способность к образованию отложений. Предпочтительно измерения включают измерения одного или более из следующих параметров: pH, проводимость, жесткость, основность, коррозионная активность, способность к образованию отложений, дозировка добавок для обработки и остаточное содержание добавок для обработки в подпиточной воде, обработанной подпиточной воде и рециркулирующей воде.

В предпочтительном аспекте изобретение включает способ работы охлаждающей системы, который понижает способность к образованию отложений и коррозионную активность в системе. Эти характеристики снижены как в подпиточной воде, так и в воде после дегазации и концентрирования в системе охлаждения, что позволяет преодолеть существенный недостаток предыдущего уровня техники. Более того, изобретение описывает средства для регулирования способа для оптимизации свойств, как потока неочищенной воды, так и потока концентрированной воды и средства для уменьшения продувки или выброса из системы охлаждения.

В одном варианте осуществления данное изобретение представляет собой способ отслеживания и контроля испарительной рециркуляционной системы водного охлаждения. Система, как правило, включает такие компоненты, как поток рециркулирующей воды, источник подпиточной воды и поток подпиточной воды. Способ включает средства для понижения жесткости и основности потока подпиточной воды; средства для понижения коррозионной активности потока подпиточной воды после понижения жесткости и основности; средства для измерения химического состава и/или рабочих характеристик источника подпиточной воды, потока подпиточной воды и/или потока рециркулирующей воды; средства определения того, попадают ли измеренные химический состав и/или рабочие характеристики в оптимальный диапазон; и средства для регулирования одного или более рабочих параметров системы.

В другом аспекте данное изобретение представляет собой способ отслеживания и контроля испарительной рециркуляционной системы водного охлаждения. Система, как правило, включает такие компоненты, как поток рециркулирующей воды, источник подпиточной воды, поток подпиточной воды, необязательный источник добавок и контроллер, связанный с по крайней мере одним из компонентов. В случае системы в рабочем состоянии способ включает измерение одной или более характеристик потока рециркулирующей воды, потока подпиточной воды и/или источника подпиточной воды. Измеренные характеристики затем передаются контроллеру, который, в свою очередь, определяет, соответствуют ли измеренные характеристики заранее выбранным критериям. Если измеренные характеристики не соответствуют заранее выбранным критериям, контроллер может выполнить по крайней мере одну из следующих функций: (i) активация одного или более устройств, обеспечивающих взаимодействие между потоком подпиточной воды из источника подпиточной воды и ионообменным материалом, при этом ионообменный материал способен регулировать набор измеренных характеристик; (ii) необязательная активация источника добавки для введения одной или более добавок в испарительную рециркуляционную систему водного охлаждения; и (iii) необязательная активация одного или более контрольных действий.

В еще одном аспекте изобретение представляет собой устройство для работы испарительной рециркуляционной системы водного охлаждения, при этом система в общем случае включает такие компоненты, как поток рециркулирующей воды, источник подпиточной воды, поток подпиточной воды и контроллер. Контроллер связан с отслеживающим устройством, способным отслеживать одну или более характеристик потока рециркулирующей воды, потока подпиточной воды и/или источника подпиточной воды. Передающее устройство, связанное с контроллером, способно передавать измеренные характеристики от отслеживающего устройства к контроллеру. Контроллер способен выполнять инструкции для определения того, соответствуют ли измеренные характеристики заранее выбранным критериям, и инициировать передачу инструкций или данных к любому компоненту или устройству в системе. Принимающее устройство также связано с контроллером и аналогичным образом способно принимать переданные инструкции или данные от любого компонента или устройства в системе.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретение включает ионообменное устройство, которое связано с контроллером. Ионообменное устройство включает ионообменный материал, и оно способно активироваться при помощи переданных инструкций, полученных от контроллера, и обеспечивать взаимодействие потока подпиточной воды с ионообменным материалом. Ионообменный материал выбран таким образом, чтобы можно было регулировать набор характеристик. Характеристики также можно регулировать при помощи необязательного источника добавок, который способен регулировать один или более уровней концентраций добавок в рециркулирующем потоке охлаждающей воды.

Изобретение дополнительно включает необязательные механизмы для дополнительных контрольных действий. Характерные контрольные действия включают контроль продувочного блока; регулирование обходного потока исходной воды в систему; регулирование введения добавок в систему или их удаления из системы; регулирование добавления CO₂ или других веществ, содержащих углерод, или их удаления из системы; смешивание необработанной воды с подпиточной водой; регулирование дозировки добавок, контролирующих образование отложений, коррозии, и/или биорегулирующих добавок при помощи источника добавок; и их комбинации.

Преимущество данного изобретения заключается в разработке устройства и способа обеспечения эффективной и надежной работы систем охлаждения.

Еще одно преимущество изобретения заключается в преодолении ограничений из предыдущего уровня техники при помощи более эффективного использования воды в системах охлаждения.

Еще одно преимущество изобретения заключается в разработке устройства и способа понижения коррозионной активности и способности к образованию отложений воды в системах охлаждения.

Еще одной преимущество изобретения заключается в понижении выброса химических веществ для обработки с продувочным потоком в охлаждающих системах.

Дополнительные особенности и преимущества описаны здесь и будут понятны из нижеприведенных Подробного Описания, Фигур и Примеров.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 в схематичном виде изображена стандартная испарительная рециркуляционная система водного охлаждения.

Фиг.2 представляет собой схематичное изображение предпочтительного варианта осуществления данного изобретения.

На Фиг.3 приведен пример характеристик воды, полученной на различных стадиях при помощи способа по изобретению.

Фиг.4 иллюстрирует другой вариант осуществления изобретения, включающий рециркуляционный поток, обходной поток и источник основности.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Стандартные элементы испарительной рециркуляционной системы охлаждения схематично изображены на Фиг.1. Система охлаждения 100 включает поток подпиточной воды 102, который связан с источником подпиточной воды (не показан). Аккумулирующий бассейн 101 функционально включает устройство для удаления тепла 104 (собирательно, «охлаждающий блок»), линию продувки 106, трубу 110, которая питает теплообменник 112, рециркуляционную трубу 114, инжектор 116 добавок для обработки и точку ввода добавок 118. Потеря рециркулирующей воды за счет испарения 108 происходит через устройство для удаления тепла 104.

Фиг.2 представляет собой схематичное изображение предпочтительного варианта осуществления данного изобретения. Система охлаждения 200 включает компоненты, описанные выше для системы охлаждения 100, с дополнительными компонентами, предназначенными для осуществления описанного способа и включающими описанное устройство по изобретению. Контроллер 202 напрямую или опосредованно связан с другими компонентами (изображено пунктирными линиями 204a-204g). Необходимо понимать, что такая связь между любыми из описанных компонентов может осуществляться при помощи проводной сети, локальной сети, глобальной вычислительной сети, беспроводной сети, соединения с интернетом, микроволнового канала связи, инфракрасного канала связи и подобных.

«Контроллер», «система управления» и подобные термины относятся к оператору или электронному устройству, содержащему такие компоненты, как процессор, запоминающее устройство, катодную лучевую трубку, жидкокристаллический экран, плазменный экран, сенсорный экран или другой монитор и/или другие компоненты. В некоторых случаях контроллер может быть предназначен для интегрирования с одним или более зависящими от конкретного применения интегрированными блоками, программами или алгоритмами, одним или более аппаратными устройствами и/или одним или более механическими устройствами. Некоторые или все функциональные блоки системы управления могут иметь центральное расположение, как сетевой сервер, для связи при помощи проводной сети, локальной сети, глобальной вычислительной сети, беспроводной сети, соединения с интернетом, микроволнового канала связи, инфракрасного канала связи и подобных. Более того, для упрощения алгоритмов обработки сигнала также могут быть включены другие компоненты, такие как преобразователь сигнала или системный монитор.

В одном варианте осуществления схема управления автоматизирована. В другом варианте осуществления схема управления является неавтоматизированной или полуавтоматической, в случае чего сигналы интерпретирует оператор. Таким средством обеспечения управляющей логики может быть любое устройство, способное принимать и интерпретировать набор входных данных из системы, определять подходящие контрольные действия и передавать их исполнительному механизму управления. Предпочтительно набор доступных контрольных действий способен регулировать работу описанных ранее элементов системы для достижения желаемых химических и других характеристик воды. Характерная эксплуатационная регулировка включает контроль продувочного блока; регулирование обходного потока неочищенной воды в систему; регулирование введения добавок в систему или их удаления из системы; регулирование добавления CO₂ или других веществ, содержащих углерод, или их удаления из системы; смешивание неочищенной воды с подпиточной водой; регулирование дозировки добавок, контролирующих образование отложений, коррозию, и/или биорегулирующих добавок при помощи источника добавок; и их комбинации, но не ограничиваясь ими.

Фиг.2 дополнительно иллюстрирует ионообменные устройства 210a и 210b (вместе их иногда называют ионообменным устройством 210). В соответствии с данным вариантом осуществления поток подпиточной воды 102 сначала подвергается обработке в ионообменном устройстве 210a для получения потока 102a с пониженной жесткостью и основностью. Поток 102a затем подвергается обработке в ионообменном устройстве 210b для получения потока 102b с пониженной коррозионной активностью. В соответствии с альтернативными вариантами осуществления система водного охлаждения 200 может включать одно, два или более ионообменных устройств. Ионообменное устройство 210 предпочтительно включает по крайней мере один тип ионообменного материала, который способен регулировать набор измеренных характеристик потока подпиточной воды. Характерные ионообменные материалы включают катионообменный материал, катионообменный материал на основе слабой кислоты, анионообменный материал, анионообменный материал на основе слабого основания и их комбинации. Такие материалы хорошо известны в данной области техники. Контроллер 202 способен активизировать ионообменное устройство 210 (включая 210a и/или 210b) для обеспечения взаимодействия между потоком подпиточной воды 102 с ионообменным материалом.

Предпочтительное средство для уменьшения жесткости и основности потока подпиточной воды представляет собой ионообменную систему, необязательно включающую средства для регенерации. Более предпочтительно оно представляет собой ионообменную систему, содержащую катионообменный материал вместе со средствами регенерации протонированной формы. Наиболее предпочтительно оно представляет собой ионообменную систему, содержащую катионообменную среду на основе слабой кислоты вместе со средствами для регенерации кислой формы.

Средство для понижения коррозионной активности воды предпочтительно представляет собой систему, которая повышает значение pH воды. Более предпочтительно оно представляет собой анионообменную систему, содержащую абсорбированные ингибирующие материалы для понижения коррозионной активности и которая способна абсорбировать коррозионные анионы. Наиболее предпочтительно оно представляет собой ионообменную систему, содержащую анионообменный материал на основе слабого основания вместе со средствами для регенерации.

Описанное выше будет более понятно при рассмотрении следующих примеров, которые предназначены для иллюстративных целей и не должны рассматриваться как ограничивающие объем данного изобретения.

Пример 1

Фиг.3 иллюстрирует предполагаемый пример характеристик воды, полученной на разных стадиях изобретения. Блок-схема 300 демонстрирует стандартный путь изменения характеристик воды в различных точках испарительной рециркуляционной системы охлаждения. В Таблице 302 приведен состав стандартной неочищенной исходной воды, которую можно использовать в качестве подпиточной воды для системы охлаждения. Неочищенная вода проходит через колонку 304, которая содержит катионообменную смолу на основе слабой кислоты (функционализированной карбоновой кислоты) ( WAC ), которая была переведена в H⁺ или протонированную форму под действием регенерирующей кислоты. Вследствие относительно низкой кислотности функциональных групп карбоновой кислоты смола обладает низкой ионообменной способностью или не обладает ею вовсе до тех пор, пока ионы водорода не удалены при помощи веществ, выступающих в качестве основания. Основность (HCO₃ ^- и CO₃ ^-2) неочищенной воды выполняет эту роль за счет взаимодействия с функциональными группами карбоновой кислоты и образования CO₂ и карбоксилатной формы ионообменной смолы. Как только смола оказывается заряженной при помощи такого депротонирования, она абсорбирует растворенные вещества катионной природы из подпиточной воды. Карбоксилатная смола, как правило, обладает селективностью по отношению к катионам, уменьшающейся в следующем порядке: Ca⁺²>Mg⁺²>>Na ⁺ _.

Промежуточный состав воды, полученный в результате данного процесса, приведен в Таблице 306 и содержит значительное количество CO₂ и в результате утечки из WAC-колонки 304 небольшое количество неорганических кислот. Она, как правило, характеризуется значением pH в диапазоне от 3,5 до 5,5 и предположительно обладает высокой коррозионной активностью по отношению к сплавам на основе железа и латуни, обычно используемым в водопроводах. Воду, состав которой приведен в Таблице 306 и которая получена после пропускания через WAC-колонку 304, обрабатывают для снижения коррозионной активности. В данном примере, используют колонку 308, содержащую анионообменную смолу на основе слабого основания ( WBA ) в форме свободного основания. WBA-смолы представляют собой нерастворимые в воде ионообменные материалы, которые функционализированы при помощи слабоосновных групп, как правило, первичных или вторичных аминов. Смолы в форме свободного основания не заряжены и обладает минимальной ионообменной способностью. WBA-смола в форме свободного основания реагирует с растворенным диоксидом углерода и неорганическими кислотами, содержащимися в воде, состав которой представлен в Таблице 306, вследствие чего она абсорбирует протон, приобретает катионный заряд и переводит растворенный CO₂ в основном в бикарбонатную форму (HCO₃ ^-). При протонировании WBA-смола приобретает анионообменную способность и абсорбирует анионы. Предпочтительность абсорбции анионов, представленных в этом примере, уменьшается в следующем порядке: SO₄ ^-2>>Cl^->>HCO₃ ^-. Стандартный состав воды, полученной при помощи этого способа, приведен в Таблице 310.

Как показано в последующих примерах, вода, полученная в ходе WBA-обработки, обладает достаточно низкой коррозионной активностью, чтобы ее можно было подавать через линию передачи, подверженную коррозии, или линию 312 к блоку охлаждения 314 (блок охлаждения 314 включает аккумулирующий бассейн и устройство для удаления тепла, как на Фиг.1). При помощи дегазации, испарения и концентрирования (10 раз в этом примере) вода приобретает состав, приведенный в Таблице 316, который представляет собой благоприятный состав для контроля коррозии и образования отложений.

Пример 2

Для получения оптимального состава воды для контроля коррозии и образования отложений может потребоваться увеличение или понижение общей жесткости подпиточной воды (см. T.E Larson и R.V. Skold, Laboratory Studies Relating Mineral Quality of Water to Corrosion of Steel and Cast Iron, 1958, Illinois State Water Survey, Champaign, IL стр. [43]-46: ill. ISWS C-71). В соответствии с изобретением это можно будет обнаружить при помощи системы измерения и контроля и инициировать при помощи любого из следующих контрольных действий или их комбинаций. Понижение скорости продувки (при помощи линии продувки 315 блока охлаждения 314) повысит концентрацию всех веществ, растворенных в подпиточной воде, тогда как ее повышение приведет к понижению концентраций. Однако, поскольку активная продувка понижает эффективность работы системы охлаждения, она может оказаться нежелательной.

Как показано на Фиг.4, жесткость в системе может быть повышена за счет частичного использования обходного потока 402. Если необходимо понизить жесткость, соответствующее контрольное действие будет заключаться в активации рециркулирующего потока 404 и смешивания его с входящей неочищенной водой, что приводит к эффективному повышению отношения основности к общей жесткости и, следовательно, повышению эффективности WAC-колонки 304. Степень удаления жесткости в WAC-колонке 304 также можно повысить при помощи дополнительной подпитки от источника основности 406, который, например, выступает в качестве источника карбоната или бикарбоната натрия, через линию подпитки 408 до WAC-колонки 404. В предпочтительном варианте осуществления контроллер 202 связан с различными компонентами системы при помощи каналов связи 410a, 410b и 410c. Будет понятно, что контроллер 202 может иметь один, два или любое подходящее число таких каналов связи с компонентами системы.

Пример 3

Природные источники воды имеют различный состав растворенных веществ. Особую важность при обработке в системах охлаждения имеет отношение ионов, ингибирующих коррозию, к ионам, вызывающим коррозию. Для поддерживания желаемого состава воды в системах охлаждения с сохранением эффективной работы установки для умягчения воды (т.е. WAC-колонки) система измерения и контроля по изобретению способна подстраиваться к изменениям этого отношения. По причинам, описанным в Примере 1, работа WBA-анионообменника также особенно важна для данной цели. Ионообменная способность WBA-смолы инициируется растворенным CO₂, который получается в результате взаимодействия основности неочищенной воды с WAC-колонкой. Если концентрация основных ионов меньше концентрации агрессивных ионов, степень удаления агрессивных ионов (например, Cl^- и SO₄ ^-2) может быть недостаточной. И наоборот, если концентрация основных ионов в неочищенной воде больше концентрации агрессивных ионов, анионообменная способность будет частично использована для абсорбции бикарбоната, который представляет собой благоприятное вещество для контроля коррозии. В соответствии с данным изобретением одно из контрольных действий заключается в удалении или прибавлении CO₂ за счета его подачи или выведения после WAC-колонки и до WBA-колонки.

Пример 4

Исследование коррозии проводили на образцах из меди и мягкой стали с использованием воды из г. Напервиль, штат Иллинойс (озеро Мичиган), в трех условиях: (i) неочищенная водопроводная вода, (ii) WAC-обработанная вода и (iii) WAC/WBA-обработанная вода. Образцы подвергали воздействию каждого из трех водных составов в течение ночи. Результаты приведены в Таблице 1. Было обнаружено, что неочищенная вода обладала средней коррозионной активностью по отношению к углеродной стали, WAC-обработанная вода обладала существенно большей активностью, а WAC/WBA-обработанная вода - заметно меньшей активностью.

Таблица 1
Ионы мг/л (CaCO3)	Неочищенная вода	WAC	WAC/WBA
Ca	89	2	6
Mg	46	1,7	8,2
Na	16	16	22
M основность	100	-53	40
Cl	21	15	0,83
SO4	30	29	0,21
pH	8,1	3,2	8,1
Проводимость (мкСм/см)	300	300	74
Коррозия (мил/год) (мягкая сталь)	9,7	96	3,7
Коррозия (мил/год) (Медь)	-	9,8	2,2

Пример 5

Этот пример иллюстрирует недостаток предыдущего уровня техники. Заявки на патент США № 4532045, поданная Littman, и № 6746609, поданная Stander, показывают, что смешивание WAC-обработанной воды с неочищенной водой позволяет осуществлять приемлемый контроль коррозии. Однако данные из Таблицы 2 показывают, что это не так. В Таблице 2 приведены различные смеси обработанной и неочищенной воды и их коррозионные активности, измеренные на основе растворенных ионов металлов в тестовом растворе. Даже смесь необработанной/обработанной воды в соотношении 80/20% по объему обладает заметно повышенной коррозионной активностью по отношению к меди, стали, латуни и оцинкованной стали.

Таблица 2
Необработанная вода %	WAC%	pH	Образециз мягкой стали	Образец из меди	Образец из латуни		Образец из оцинкованной стали
Ионы (мг/мл)			Fe	Cu	Cu	Zn	Zn	Fe
100	0	7,81	0,42	0,84	0,37	0,62	0,1	0,16
80	20	6,57	2,2	12,6	9,9	9,2	0,11	8
60	40	5,64	10,1	6,5	3,8	8,8	0,5	7,2
40	60	4,96	15,3	2,2	0,75	10,4	0,5	11,8
20	80	4,33	21,25	4	1,3	14,25	1	15,5
0	100	3,66	48,5	10	2	16	1	23,25

Пример 6

Пример контрольного действия в соответствии с данным изобретением представляет собой рециркуляцию и смешивание обработанной воды с необработанной водой для повышения степени удаления жесткости и анионов. Удаление жесткости при помощи WAC-материала, как правило, пропорционально количеству основных ионов, присутствующих в воде. Если основность меньше общей жесткости, в общем случае будет удалена только часть общей жесткости. При помощи подачи обработанной воды к точке, расположенной перед WAC-колонкой, можно более тщательно сбалансировать основность и жесткость смешанной воды и повысить степень удаления жесткости. Данные для такого способа представлены в Таблице 3. Чтобы примерно сбалансировать общую жесткость и Ca, второй цикл характеризовался отношением 2/1 неочищенной воды к рециркулирующей воде.

Таблица 3
Ионы (мг/л CaCO3)	Неочищенная вода	Катион	Катион Анион	Смесь Неочищенная вода	Смесь Катион	Смесь Катион/ Анион
Ca	180	36	57	130	16	18
Mg	83	45	44	68	27	30
Na	170	170	170	150	150	140
Cl	170	170	130	160	160	130
SO4	85	84	0,95	57	57	0,35
M Основность	160	-28	130	140	-21	70
pH	8,4	3,5	7,8	8,1	3,2	7,4
Проводимость (мкСм/см)	830	650	530	710	540	430

Пример 7

Хорошо известно, что источники неочищенной воды широко различаются по составу растворенных веществ (Nalco Water Handbook, Ion Exchange , стр.2-12, 1998). Данный Пример иллюстрирует контрольное действие, которое позволяет адаптировать способ по изобретению к таким изменяющимся составам воды. Контрольное действие включает прибавление основных или кислых добавок к неочищенной воде перед ее подачей в WAC-колонку для понижения или увеличения степени удаления жесткости. Кислые вещества могут включать одну или более сильных кислот, таких как серная кислота, хлороводородная кислота, азотная кислота, органические кислоты и подобные. Основные вещества могут включать карбонаты, бикарбонаты или гидроксиды щелочных или щелочноземельных металлов.

Результаты, представленные в Таблице 4, иллюстрируют эффект прибавления бикарбоната натрия до проведения процесса умягчения. Первые три столбца соответствуют стандартной воде с недостатком основности и иллюстрируют результаты на стадии WAC/WBA процесса. Последние три столбца демонстрируют эффект прибавления 80 м.д. (экв. CaCO₃) бикарбоната натрия. Наблюдается значительное повышения степени удаления как ионов жесткости, так и коррозионных ионов.

Таблица 4
Ионы (мг/л CaCO3)	Неочищенная вода	WAC	WAC/ WBA	Неочищенная Вода NaHCO3	Повышенная основность	Повышенная основность WAC/WBA
Ca	180	36	57	180	11	13
Mg	83	45	44	87	9	12
Na	170	170	170	270	250	240
Cl	170	170	130	170	170	63
SO4	85	84	1	88	90	4,5
M Основность	170	-28	130	250	-33	190
pH	8,4	3,5	7,8	8,4	4,2	7,8
Проводимость (мкСм/см)	830	650	530	970	620	480

Пример 8

Изменения качества воды и требуемого конечного состава воды в башне для охлаждения обуславливают необходимость контролировать эффективность как WAC-колонки/WAC-ионообменного материала, так и WBA-колонки/WBA-ионообменного материала. Удаление коррозионных ионов и последующее повышение основности в WBA-колонке, как правило, контролируется растворенным CO₂, полученным в WAC-колонке. Другое контрольное действие по изобретению заключается в прибавлении или удалении CO₂ для выполнения желаемого контрольного действия. Это иллюстрируют результаты, представленные в Таблице 5. Первые три столбца демонстрируют эффект обработки при помощи CO₂, полученного естественным образом в WAC-колонке. Последние четыре столбца иллюстрируют эффект прибавления или удаления CO₂. При помощи подобного контрольного действия можно регулировать отношение ингибирующих ионов к коррозионным ионам, таким образом контролируя коррозионную активность воды, полученной при помощи этого способа. В Таблице 5 NC обозначает «естественный CO₂», DC - «декарбонизированный», а FC - «полностью карбонизированный».

Таблица 5
Ионы (мг/л CaCO3)	Неочищенная вода	WAC NC	WAC/WBA NC	WAC DC	WAC FC	WAC/WBA DC	WAC/WBA FC
Ca	180	11	13	6,3	3,7	7	3,9
Mg	83	9	12	5,5	10	6,5	9,8
Na	270	250	240	260	290	280	280
Cl	170	170	63	180	180	200	43
SO4	88	90	4,5	91	93	15	0,52
M Основность	250	-33	190	-10	-10	63	230
pH	8,4	4,2	7,8	6,7	4,6	9,7	6,1
Проводимость (мкСм/см)	970	620	480	640	670	640	530

Необходимо понимать, что различные изменения и модификации описанных здесь предпочтительных вариантов осуществления будут понятны специалистам в данной области техники. Такие изменения и модификации могут быть внесены не выходя за рамки сущности и объема изобретения и не уменьшая его преимуществ. Следовательно, подразумевается, что такие изменения и модификации охвачены приложенной формулой изобретения.