前言

　　在循环冷却水系统中，有机磷酸盐是缓蚀阻垢剂配方中的主要成份，缓蚀阻垢剂的螯合增溶、凝聚与分散、静电斥力作用，防止盐垢、污垢的形成和菌藻类滋生，同时在金属管道表面形成一层保护膜，防止金属管道腐蚀。提高换热器使用寿命、循环水利用率，节约大量新鲜水。

　　在循环冷却水处理中，缓蚀阻垢剂的投加通常以有机磷为控制指标。

　　Water-Cloud水质监控云服务系统是由资深水处理专家与东南大学、南京邮电大学知名教授共同研制的新技术产品，在国内尚属首创。系统融合物联网技术、无线传感技术、信息融合分析技术与一体，为用户提供一种专业、实时、全天候、全方位、高效的水质监控云服务，建立了一种新型的“绿色”循环水系统方案。

　　本系统能够实时在线监测循环冷却水中总磷、正磷、有机磷、浓缩倍数、电导、PH等水质主要参数。根据在线监测数据进行智能分析、控制。系统在缓蚀阻垢剂、硫酸投加控制上采用了模糊预测方法进行自动投加控制，使系统有机磷、PH快速逼近标准控制值，循环冷却水有机磷以及PH控制更加稳定、更智能化。同时可对循环水的浓缩倍数、排污的等水质参数进行智能实时在线控制。

　　系统可应用于石油、化工、钢铁等大型工业循环冷却水水质监控管理，也适应于中央空调等小型循环水水质监控管理。

　　一、设计目的

　　水质监控云服务系统(Water-Cloud V2.0)应满足国家标准，如有国家标准未覆盖的内容，以技术要求为准。

　　1.具有确保人员安全操作的设备;

　　2.良好的人机交流界面;

　　3.设备易于维护，控制系统具有良好的扩展性;

　　4.易于操作的控制界面;

　　5.水资源利用符合相关法规

　　二、设计依据

　　2.1客户提供循环冷却水技术参数及运行环境

　　1.循环水量：吨/小时。

　　2.阻垢剂控制指标： mg/L。

　　3.药剂为桶装液体，参考磷系配方，设置投加设施。

　　4.设备安装：室内安装。

　　2.2控制要求：

　　1.在线监测循环冷却水中药剂浓度(有机磷含量)。

　　2.根据循环冷却水中药剂浓度(有机磷含量)含量自动投加药液。

　　3.加药泵具有远程/就地、手动/自动控制功能。

　　三、设计原理

　　本系统采用了紫外纳米二氧化钛消解、磷钼梯三元络合分析技术，有效提高系统总磷、有机磷的分析精度(比常规二元络合分析提升一个数量级)、节省分析试剂、简化了设备结构、减少了设备故障的发生，大幅度提高设备无故障运行率，从而为保障水质的稳定控制、节约药剂打下了坚实的基础。

　　3.1紫外纳米二氧化钛消解体系原理

　　纳米二氧化钛在紫外光照射下产生空穴的氧化电位具有很强的氧化性。高活性的光生空穴具有很强的氧化能力，可以将吸附在溶液内的的OH-和H2O 进行氧化，生成具有强氧化性的•OH [20]。能氧化溶液中的有机物(有机磷)。同时，空穴本身也可夺取吸附在半导体表面的有机物(有机磷)中的电子，使原本不吸收光的物质被直接氧化分解。

　　此技术在本系统中的应用，能够将分析水样中的磷物质，完全、快速转化成正磷酸盐，提高检测精度。本技术在水处理技术领域的应用，在国内尚属首创。

　　3.2总磷分析原理(钼蓝比色法)

　　在纳米二氧化钛催化、紫外线照射的碱性环境下，多磷酸盐和一些含磷的化合物中水解，生成正磷酸根，剩余稳定的磷化物被强氧化剂-过硫酸钾氧化成正磷酸根。在含有钼酸盐离子和锑离子的酸性溶液中，由于钼酸盐离子和锑离子的共同作用，正磷酸盐离子将被抗坏血酸(维生素C)还原成磷钼锑络合物，并呈现出蓝色。在规定的测量范围内，溶液中蓝颜色的强度与样品中磷酸盐的浓度成比例。因此，通过测量颜色变化的程度，就可以测量样品中总磷的浓度。

　　3.3水质分析过程

　　3.3.1正磷分析

　　正磷测量：在监测模式下，仪器首先用配套清洗液、样品水(按一定比例)对消解单元、比色单元以及分析管路进行清洗，再次用蒸馏水(去离子水)、样品水(按一定比例)进行二次清洗，同时校正分光光度计基准线。然后将通过光电定量单元将精准量的样品水、蒸馏水、试剂B、试剂C入比色单元，并通过独特的气泡搅拌技术使溶液充分混合，进行显色反应，反应结束后分光光度计测量溶液吸光度，并与反应前测量结果比较，计算出正磷含量。

　　3.3.2总磷分析

　　总磷测量：先将精准量的样品水、试剂A 取入紫外纳米二氧化钛消解单元，通过纳米二氧化钛催化、紫外线消解将样品水中的多磷酸盐和一些含磷的化合物以及稳定的磷化物快速、完全转化为正磷酸根。然后与正磷测量同理进行显色、分析并计算出总磷含量。

　　3.3.3有机磷分析

　　通过已测定的循环水系统中正磷、总磷含量，计算得到有机磷含量。有机磷含量为总磷与正磷之差。

　　3.4 加药控制原理

　　根据药剂浓度分析仪在线检测到循环冷却水的缓蚀阻垢剂浓度，并与规定的工艺指标(人为设定)进行自动比较，根据模糊预测规则，预测当前循环冷却水中所需药剂投加量，通过数模转换将该投加量转换为4~20mA标准控制信号，发送至电磁隔膜计量泵，加药泵根据控制信号的变化情况自动调整加药泵频率来调整实时加药量，从而实现缓蚀阻垢剂在线自动投加控制。

　　当药剂浓度在线分析出现故障时，系统将自动切换到人工设定加药量来控制加药泵输出，已确保循环冷却水中的药剂浓度，保证循环水正常运行。

　　3.4.1模糊预测原理：

　　模糊预测规则是根据前人和专家的经验以及操作人员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统对象而提出的控制算法。其主要特点是按区段进行不同算法的调节，它既有Bang-Bang控制的快速性，又有迟滞(死区)控制的稳定性和抗干扰能力。控制模型如下：

　　通过在线监测有机磷数据与设定工艺指标进行自动比较，计算出实际误差eΔu)。(在线监测值- 标准值)和实际误差变化率ec(在线监测值 - 上一次监测值)，输入模糊控制器，根据模糊控制规则预测出当前循环冷却水中的药剂补充量u(u0+

　　模糊控制规则，例如：

　　将e、ec、Δu均模糊为(负大、负中、负小、零、正小、正中、正大);

　　当e为负大且ec为负大时，Δu为正大，大幅度提高加药泵的加药量，尽快将提高循环水中药剂含量，快速接近设定工艺指标;

　　当e为负小且ec正小时，Δu为零小，加药泵加药量调整幅度为零，确保加药量出现超调，使得循环水中药剂含量较为稳定;

　　当e为正大且ec正小时，Δu为负大时，大幅度减小加药泵的加药量，使得循环水中药剂含量快速降低，快速接近设定工艺指标。

　　通过多条如上所述模糊控制规则，预测出加药当前量，并自动调整加药泵，以确保循环水中药剂含量始终接近设定工艺指标，保证循环水的稳定运行。

　　四、Water-Cloud水质监控云服务(选配)

　　4.1 Water-Cloud水质监控云服务功能

　　一套完整的水质监控系统不仅包含水质在线分析、水质自动控制，还应包括远程控制、融合分析、水质专家管理等多方面内容。

　　Water-Cloud水质监控云服务系统就包含了上述全部功能，对循环水水质进行“望、闻、问、切”式诊疗。水质监控云服务系统亦相当于为循环水系统上了“双保险”。

　　望： “药剂浓度在线分析仪、水质在线传感器”将各种重要水质参数进行实时在线分析，并可通过无线传输技术，实时发送给远程水质专家团队和用户。

　　闻：对水质状况进行多参数设置，一旦水质出现异常，云端会第一时间发出报警信息，同时将报警反馈云服务中心，专家将及时处理，解除报警。

　　问：报警产生后，系统会自动将报警信息和专家方案反馈到授权用户手机。

　　切：通过云服务对水质的监控数据的长期、细致分析，云服务系统能够设计出更优化的水质控制方案，达到节省水资源，节省药剂资源，建立“绿色”循环水系统的目标。

　　4.2 Water-Cloud水质监控云服务系统组成

　　水质专家团队，IE终端、云服务中心和云端设备(药剂浓度在线分析仪、无线传感网络(可选配)，水质在线传感器)

　　水质监控云服务系统拓扑图

　　五、系统组成及设备

　　Water-Cloud水质在线监控云服务系统主要由以下设备组成：

　　1.药剂浓度在线分析仪

　　2.电导在线分析仪

　　3.PH在线分析仪

　　4.浓缩倍数在线分析

　　5.药剂投加设备

　　6.无线传输模块(增加水质监控云服务时需选配)

　　5.1药剂浓度在线分析仪

　　5.1.1 性能参数：

　　监测项目：总磷、有机磷(药剂浓度)、正磷

　　测量范围：0~10mg/l 递增量为0.1mg

　　测量精度：±5%

　　测量周期：30分/次

　　分析试剂：0.75元/次

　　工作电压：220V±10%

　　5.1.2仪器特点

　　设计独特、分析流路不堵塞

　　分析过程均在正压或负压下进行运转，从而杜绝了因微小杂质引起的设备内部管路阻塞。

　　分析精度高

　　分析过程采用多位阀取样，并通过独特的光电定量系统，使得试剂、取样水的取样量更精准(避免了因蠕动泵变化而产生的取样量偏差)，加大提高了化学分析精度。

　　消解完全、彻底

　　化学分析过程采用紫外纳米二氧化钛消解体系，使总磷消解更彻底，更完全，确保分析的准确性。

　　智能校正

　　设备具备智能校正功能，系统根据设定校正周期，自动对总磷标准曲线进行自动校正，极大提高了分析精度，并大大减少了人工维护工作。

　　试剂用量少，节约成本：

　　通过独特的光电定量系统，大大减少了化学分析试剂的用量，延长试剂使用周期，节约试剂成本。

　　使用寿命长

　　分析泵前设置了气室，避免了分析泵与分析溶液接触，极大提高了分析泵软管的使用寿命。

　　结构精简、易维护

　　化学分析过程取消了繁杂的电气设备，精简分析过程的复杂性，使设备更可靠、更稳定的运行，加大减少了维护工作量。

　　5.2循环冷却水电导、PH、浓缩倍数在线分析

　　本方案采用美国+GF+公司原装进口电导、PH在线分析仪。确保循环冷却水水质检测参数的准确性。

　　5.2.1电导在线分析仪

　　+GF+SIGNET 8850电导/电阻变送器技术参数：

　　名称参数说明

　　型号8850

　　适用电极+GF+SIGNET 3-28XX-X标准和NIST

　　认证的电导和电阻电极

　　精度读数的±2%

　　密封等级：前面板NEMA 4X/IP65 外壳：PBT

　　盘装垫圈氯丁橡胶

　　按键4个硅胶按键

　　运行温度-10-70℃

　　保存温度-15-80℃

　　相对湿度0-95%，无露点

　　电源12-24VDC±10

　　传感器输入范围电导：0.055-400000μS 电阻：10K-18.2M

　　TDS：0.023-200000ppm 温度：PT1000，-25-120℃

　　电流输出4-20mA，隔离，可调整且可反向

　　最大回路阻抗。50@12V，325@18V

　　+GF+SIGNET 3-2821-1电导/电阻传感器技术参数：

　　名称参数说明

　　型号3-2821-1

　　测量范围10~10000μS

　　精度读数的±2%

　　温度补偿PT1000

　　接触部分材料电极：316SS O型圈：EPR

　　绝缘材料：特氟隆 标准安装件：聚丙烯

　　最大压力6.9bar(100psi)

　　最大温度100℃(212ºF)

　　质量标准CE(盐度电极除外)

　　5.2.2 PH在线分析仪

　　+GF+SIGNET 8750 pH/ORP变送器技术参数：

　　名称参数说明

　　型号8750

　　适用电极+GF+SIGNET 3-27XX pH/ORP前置放大器和电极

　　精度±0.03 pH

　　密封等级：前面板NEMA 4X/IP65 外壳：PBT

　　盘装垫圈氯丁橡胶

　　按键4个硅胶按键

　　运行温度-10℃-70℃

　　保存温度-15℃-80℃

　　相对湿度0-95%，无露点

　　电源12-24VDC±10

　　传感器输入范围PH：0.0-14 温度：PT1000，-25-120℃

　　电流输出4-20mA，隔离，可调整且可反向

　　最大回路阻抗。50@12V，325@18V

　　+GF+ SIGNET 3-2726 PH/ORP传感器技术参数：

　　名称参数说明

　　型号3-2726

　　测量范围0-14

　　反应时间25℃时变化95%<5s(标准校正)

　　精度±0.25

　　温度补偿PT1000

　　参比电极连接型式：同轴型

　　结合电解液： 3-2716：3.5Mol KCl(前)，带AgCl的3.5Mol饱和KCl(后)

　　参比电解液：Ag/AgCl

　　效率：≥97%@25℃(77ºF)

　　+GF+ SIGNET 2760 PH/ORP放大器技术参数：

　　名称参数说明

　　型号2760

　　工作范围PH：0-14 光隔离

　　特性旋转锁扣设计保证探头快速链接

　　坚固耐腐的CPVC材质设计

　　电缆长度标配4.6m，可延长至120m

　　电缆类型：六芯屏蔽电缆

　　最大工作温度80℃

　　最大工作压力7bar

　　CE认证

　　5.2.3浓缩倍数技术参数：

　　浓缩倍数=循环水电导∕补充水电导

　　由于补充水电导一般无大变化，考虑到为客户节省经费，故补充水电导采用设定值参与浓缩倍数计算。

　　5.3加药装置

　　5.3.1加药计量泵

　　本方案采用美国帕斯菲达原装进口自动电磁隔膜计量泵，技术参数：

　　名称 参数说明

　　型号LPE4MB

　　泵头材质PP

　　流量范围0～ 7升/小时

　　压力范围0～ 7Bar

　　调节频率和冲程可同时调节

　　调节方式手动或选用4-20mA脉冲自动控制

　　连接软管式3/8"内径 1/2"外径

　　最大冲程频率125次/分钟

　　重复计量精度正负3%

　　电源220VAC/50Hz

　　最大功率300W

　　平均功率130W

　　环境温度范围0-50℃

　　物料温度范围0-70℃

　　绝缘等级E型绝缘，内置热保护装置

　　防护等级IP55

　　标配：三功能阀、注射阀、底阀、进出口软管

　　控制方式 ：接收4-20mA标准信号

　　5.3.2加药管道、电缆、平台、储药罐

　　名称参数说明产地

　　管道标定柱材质：有机玻璃 规格： DN15国产

　　加药泵入口过滤器材质：透明PVC 规格： DN15+GF+

　　加药管道材质：PVC 规格： DN15+GF+

　　法兰材质：PVC 规格： DN15+GF+

　　挂片器材质：有机玻璃 规格： DN25国产

　　电缆电源线RVV 3×1.0mm国产

　　信号线RVVP 3×0.75mm 屏蔽国产

　　平台材质：304 方管 除加药罐外所有设备均撬装在平台上国产

　　储药罐材质：PE 容积：1.0m³尺寸：Φ1000×1460×6mm国产

　　5.4系统控制

　　系统水质分析部分分为监测、校正、维护三种状态，只有设置在“监测”状态时，系统才能够对循环冷却水水质进行自动分析，断电后重启后系统自动复位，并进行自动分析，系统具有自动故障报警功能，一旦故障报警，将自动切换到维护状态，等待维护人员处理，并恢复。

　　在维护状态下，可进行人工测试个分析设备，以方便快速处理问题。

　　在校正状态下可人工半自动对设备分析曲线进行校正。

　　系统加药泵分为远程控制和就地控制两种运行模式。系统上电后，在选择远程运行状态下，方可开始进行远程模式运行。远程模式下又分为手动和自动控制，当设置为自动状态是时，系统将根据水质分析结果，自动调整加药泵的输出量。当设置为手动状态时，操作人员可对加药泵的输出量进行人工调节控制，加大减少了加药泵机械操作故障。

　　在选择就地运行状态下，可进行单独人工启动控制。

　　就地运行模式是在与远程运行产生故障不能运行工作时，应急强行启动加药泵的运行模式，正常时请运行自动模式。

　　5.4.1药剂浓度在线分析主要设备

　　名称参数说明产地

　　多位取样阀型号：series11111 孔数量： 11孔 孔径：1.5mm

　　湿部材料：PEEK 死体积：无 美国

　　分析泵流量：30ml/min兰格

　　紫外消解单元紫外线波长：254nm 消解池：Φ10mm南京雷辉

　　光电定量单元波长：910nm 定位数量：2位德国

　　比色单元波长：660nm 比色池：Φ10mm德国

　　5.4.2电器控制主要设备

　　本方案的电气控制部分全部集成在药剂浓度分析仪内部电控箱，采用集成主板式结构，使得设备电路简单、布置简洁、美观，易于维护管理。

　　设备防护等级均达到IP55，能够防止粉尘进入。

　　现场电器设备上作出永久标记，各种按钮、开关、指示灯、声光报警器的颜色符合国家标准。

　　主要控制元器件：

　　名称参数说明产地

　　控制核心主控板型号：Water-Cloud V2.0 集成电路板

　　主要电器元件：进口产品南京雷辉

　　CPU型号：6ES7 214-2AD23-0XB0西门子

　　模拟量输入型号：6ES7 235-0KD22-0XA0西门子

　　模拟量输出型号：6ES7 232-0HB22-0XA0西门子

　　数字量输出型号：6ES7 222-1HF22-0XA0西门子

　　时钟电池型号：6ES7 297-1AA20-0XA0西门子

　　HMI型号：7062K 7寸 256色系列昆仑通态

　　控制软件系统控制软件(PLC) 型号：Wter-Cloud SV2.0南京雷辉

　　系统控制软件(HMI) 型号：Wter-Cloud ZV2.0南京雷辉

　　组态平台软件(HMI) 型号：MCGSE 7.2昆仑通态

　　六.系统功能

　　6.1药剂浓度在线分析仪在线监控循环水药剂含量(磷系药剂)，采用先进的人工智能模糊预测分析方式，实时调整缓蚀阻垢剂投加量，确保循环水中药剂含量始终维持在规定范围内。

　　6.2计量泵为电磁隔膜计量泵，并能接受4-20mA的信号。计量泵为美国整体进口。

　　6.3卖方提供具有先进、安全、可靠并有成熟的工程业绩的工艺流程。工艺技术达到国内先进水平。

　　6.4卖方提供的应该是具有低能耗、低成本和高质量产品，最新的、先进的经过证明的、商业化的技术。

　　6.5 除储药罐外，计量泵、药剂浓度在线分析仪及相关的管道阀门等安装在整体平台上，外观整洁美观。

　　七.系统特点

　　7.1设备优点

　　1.紫外纳米技术，消解彻底、稳定

　　2.光电定量，和多位阀控制，取样精度高

　　3.增加气泡搅拌功能，反映充分。

　　4.采用气液分离技术，取样泵故障率低，使用寿命长，

　　5.分析过程巧妙应用正负压原理技术，分析管路不易堵塞

　　6.增加自动校正功能，无须人工校验

　　7.对循环水质要求低，无须预处理装置，

　　8.取样量少，不受循环水浊度

　　9.具备自动清洗功能，不受生物粘泥影响

　　10.试剂用量小，节约成本

　　11.具备远程服务功能。专家能够对设备进行远程维护管理，提供个性化服务。

　　7.2 Water- Cloud V2.0总磷在线分析仪与传统加药方式优缺点对比表

　　(见附表)

　　八.本项目设计内容、设备配置

　　8.1设计分界

　　1.卖方负责本项目工艺、设备、电气、仪表等系统的供货、设计及指导安装调试。

　　2.买方负责提供本项目的公用工程包括给水、排水、采样水及供电电源。

　　3.土建部分及外部管线由买方完成。

　　4.电气分工以现场就地药剂浓度在线分析仪(卖方供货)为分界线。药剂浓度在线分析仪以外的电缆线均由买方供货。卖方负责提供加药系统的控制方式、控制原理图及接线图。

　　5.本条款规定了合同设备的供货范围，卖方保证所提供设备为全新的、先进的、成熟的、完整的和安全可靠的，且设备的技术性能、功能符合技术条件的要求。

　　6.卖方确保供货范围完整，以能满足用户安装、运行要求为原则。

　　8.2主要设备仪表技术参数

　　8.2.1药剂浓度在线分析仪

　　监测项目：总磷、有机磷(药剂浓度)、正磷

　　测量范围：0~10mg/l 递增量为0.1mg

　　测量精度：±5%

　　测量周期：30分

　　工作电压：220V±10%

　　控制核心模块：

　　S7200PLC (西门子) 1套

　　主控制板 (南京雷辉) 1套

　　S7200控制系统软件1套

　　化学分析模块：

　　分析模块(南京雷辉) 1套

　　分光光度计(南京雷辉) 1套

　　紫外消解(南京雷辉) 1套

　　人机交互模块：

　　人机界面(昆仑通态)1套

　　人机交互控制软件(MCGS嵌入式)1套

　　4)电气控制模块：

　　电器元件(菲尼克斯) 1套

　　8.2.2循环水电导仪

　　制造商：美国SINGNET公司

　　型号：3-8850-1P 传感器3-2821

　　测量范围：10-10000μs

　　精度：±2%

　　信号：4-20mA/3线制

　　电源：12-24VDC±5%

　　环境温度和湿度：温度：1-70℃，湿度：0-95%

　　防护等级：IP65

　　8.2.3循环水pH仪

　　制造商：美国SINGNET公司

　　型号：3-8750-1P 放大器：2760 传感器3-2726

　　测量范围：0-14PH

　　精度：±2%

　　信号：4-20mA/2线制

　　电源：12-24VDC±5%

　　环境温度和湿度：温度：1-50℃，湿度：0-95%

　　防护等级：IP65

　　8.2..4 缓蚀阻垢剂计量泵

　　型号：LPE4MB

　　流量：7.0L/H 压力： 7.0 Bar

　　输入范围：4-20mA

　　冲程：可自动状态下调节0~100%

　　产地：美国帕斯菲达

　　4.2.5 缓蚀阻垢剂储药罐

　　容积：1.0m3

　　材质：PE

　　产地：国产

　　8.3设备配置表

　　序号设备名称型号规格单位数量产地

　　1药剂浓度在线分析仪型号：Water-Cloud V2.0

　　量程：0~10mg/L

　　精度：±5%

　　检测：总磷、有机磷、正磷

　　内含：西门子PLC S7200

　　7062K触摸屏套1南京雷辉

　　2远程监控人机界面：1062K 10寸套1南京雷辉

　　3缓蚀阻垢剂计量泵型号：LPE4MB

　　流量：7.0 L/H

　　压力：7.0 Bar

　　信号输入：4~20mA台2帕斯菲达

　　4标定柱DN15

　　材质：有机玻璃套1国产

　　5电导仪变送器：8850只1美国GF

　　传感器：2821只1

　　6PH仪变送器：8750只1美国GF

　　传感器：2760只1

　　放大器：2726只1

　　7加药泵入口过滤器DN15个1国产

　　8膜片压力表DN15个2国产

　　9系统平台规格：

　　1000×1500×1600mm

　　材质：304套1国产

　　10储药罐材质：PE

　　容积：1.0 m3套2国产

　　11内部工艺配管及电缆PVC套1美国GF

　　8.4流程图：见附件