白雪蓮 柴峰
摘要:
江水水質(zhì)是利用江水源熱泵技術(shù)時必須考慮的重要條件之一,也是影響江水源熱泵系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。通過對江水源熱泵換熱器結(jié)垢的水質(zhì)影響因素進行分析,確定了主要水質(zhì)指標及其取值。采用模糊綜合評價法,利用實際監(jiān)測數(shù)據(jù),分析了作為水源熱泵源水的江水水質(zhì)類別。針對實際工程應(yīng)用中需要檢測相關(guān)國家標準規(guī)定的多個指標并同時滿足的難度,提出了水質(zhì)結(jié)垢潛能值的概念。作為水源熱泵用水質(zhì)綜合評價指標,水質(zhì)結(jié)垢潛能值既考慮了主要水質(zhì)參數(shù)對水源熱泵換熱器結(jié)垢的綜合作用,又能夠簡便快速地為工程應(yīng)用中的水質(zhì)判斷和系統(tǒng)選擇提供直接依據(jù)。
關(guān)鍵詞:
水源熱泵;模糊綜合評價;水質(zhì)參數(shù);污垢
水源熱泵作為一種可再生能源利用技術(shù),具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點,因而日益受到關(guān)注。水質(zhì)條件的好壞對水源熱泵機組換熱器結(jié)垢起著決定性作用。江水水質(zhì)是江水源熱泵利用時必須考慮的重要條件之一,也是影響江水源熱泵系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。因此在利用江水冷熱資源時,需要明確作為熱泵用水體的水質(zhì)條件,為水體的可用性做出科學(xué)評判,并對其利用方式提出合理建議。對水質(zhì)的評價方法即成為關(guān)鍵問題。目前,對水環(huán)境質(zhì)量的評價方法主要有:專家評價法、指數(shù)評價法、效益評價法和模糊評價法 [14]。由于對江河水質(zhì)進行評價會涉及到很多指標,且各指標之間也存在內(nèi)在的聯(lián)系,因此,可以認為河流水質(zhì)是由多因素控制的、復(fù)雜的、非線性的模糊系統(tǒng),對這類系統(tǒng)進行評價具有一定的模糊性。模糊綜合評價作為定性分析和定量分析綜合集成的一種常用方法,已在環(huán)境領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用, 在水質(zhì)綜合評價、大氣環(huán)境綜合評價等方面都已經(jīng)有長期和深入的研究[513]。筆者采用模糊綜合評價法對江河水質(zhì)進行分類,在引起江水源熱泵換熱器結(jié)垢方面對水質(zhì)的優(yōu)劣進行定性或定量描述,以準確反映目前的水體質(zhì)量,并在此基礎(chǔ)之上從水源熱泵換熱器結(jié)垢潛能的角度,提出一種既能準確反映水質(zhì)因素對結(jié)垢的影響,又能便于工程應(yīng)用的綜合評價指標。
白雪蓮,等:水源熱泵用江水水質(zhì)綜合評價
1影響污垢生長的水質(zhì)參數(shù)
1.1水質(zhì)參數(shù)分析
相關(guān)標準對機組換熱器冷卻水水質(zhì)指標的要求很多。有研究結(jié)合換熱器污垢熱阻在線監(jiān)測,并對污垢特性影響較大的水質(zhì)參數(shù)做同周期離線監(jiān)測,得到了不同水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻之間的關(guān)聯(lián)度大小[14],見表1。
通過與現(xiàn)行標準中水源熱泵允許水質(zhì)(地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB 50366,采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范GB 50019,工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范GB 50050)相比較發(fā)現(xiàn),在利用長江水作為水源時,2010年11月至2011年9月的江水水質(zhì)大部分都能滿足要求,含沙量和濁度偏大是主要需要解決的問題。
1.2水質(zhì)狀況分類
結(jié)合以上分析及江水水質(zhì)實際情況,選取PH值、鐵離子、含沙量、濁度、電導(dǎo)率這5個對江水源熱泵換熱器污垢特性影響較大的水質(zhì)參數(shù)作為水質(zhì)評價的依據(jù)。
1)PH值
PH值對水中諸多指標起著控制作用,影響了Ca2+、Mg2+、Fe2+、游離CO2、總堿度等形成沉淀物質(zhì)。文獻[15]利用自制污垢熱阻測定裝置,配置模擬水,恒水溫45 ℃下進行快速結(jié)垢實驗。結(jié)果表明:隨著PH值增大,污垢熱阻增大,污垢增多,究其原因是PH值控制了堿度大小。
2)鐵離子
鐵離子容易與水中OH-結(jié)合形成膠體物質(zhì)Fe(OH)2,若水中溶解氧含量充足,進一步被氧化形成紅褐色Fe(OH)3,形成腐蝕污垢和顆粒污垢。文獻[16]用通過考察銅、不銹鋼和鑄鐵在不同條件下的腐蝕與結(jié)垢情況。結(jié)果表明:在不加緩蝕阻垢劑條件下,當(dāng)水中鐵離子含量大于0.5 mg/L時,結(jié)垢率超過設(shè)計限定值。
3)含沙量
江水中的細小泥沙顆粒沉降在換熱器表面,逐漸形成污垢。因此在利用江河水作為江水源熱泵源水時,含沙量是一個需要重點控制的水質(zhì)指標。由之前的測試結(jié)果可以看出,江水含沙量在大部分時間不滿足規(guī)范要求。江水源熱泵系統(tǒng)常采用除沙裝置對江水進行水處理。目前常用的旋流除沙器的除沙效率都在90%以上。根據(jù)除沙率的計算公式。考慮到機器的效率及其他綜合因素,假設(shè)除沙效率為80%,則當(dāng)江水含沙量大于100 mg/L、小于500 mg/L時,經(jīng)過處理后可以滿足規(guī)范要求。
4)濁度
水的濁度體現(xiàn)了水中懸浮物的含量。懸浮物越多,越容易引起換熱器結(jié)垢。天然河流中含有較多的物質(zhì)成分,尤其以泥沙為主,而濁度受泥沙影響較大。在江水源熱泵系統(tǒng)中,除沙器在去除水中泥沙的同時,對江水的濁度也進行了一定程度的處理。根據(jù)目前市場上廠家發(fā)布的產(chǎn)品樣本來看,旋流除沙器除濁率一般在80%左右。綜合考慮水處理裝置對江水濁度的降低率,假定除濁效率為60%,則當(dāng)江水濁度大于100 NTU、小于250 NTU時,經(jīng)過處理后,可以滿足規(guī)范要求。
5)電導(dǎo)率
電導(dǎo)率的定義為傳導(dǎo)電流密度與電場強度之比。有研究表明[17]:電導(dǎo)率小于1 000 μs/cm 時,水質(zhì)基本穩(wěn)定;電導(dǎo)率小于1 500 μs/cm 而大于1 000 μs/cm 時,換熱器輕微結(jié)垢;電導(dǎo)率大于1 500 μs/cm 時,冷卻水對換熱器表面的腐蝕率就增大,造成嚴重結(jié)垢。
根據(jù)以上分析,并結(jié)合相關(guān)標準對水質(zhì)的要求[1819],提出如表3所示指標分類等級。
2模糊評價應(yīng)用分析
2.1評價集
模糊綜合評價是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理,將一些邊界不易定量的因素定量化,進行綜合評價的一種方法。模糊評判數(shù)學(xué)模型的建立可歸納為以下幾個步驟:1)找出評價因素集;2)劃分評價等級;3)建立隸屬函數(shù),計算模糊評判矩陣;4)確定指標權(quán)重;5)進行模糊評判,得出模糊評判結(jié)果。該應(yīng)用中,評價因子集中共設(shè)置5個評價因子,則建立的評價因子集U為:U=X1,X2,X3,X4,X5={PH值,鐵離子,含沙量,濁度,電導(dǎo)率}。根據(jù)江水引起水源熱泵機組換熱器結(jié)垢的程度,將江水水質(zhì)分為3類。一類:水質(zhì)優(yōu),不僅滿足標準的規(guī)定,而且不易引起換熱器結(jié)垢;二類:水質(zhì)良,某些指標不滿足標準的規(guī)定,容易導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢,但通過基本水處理裝置后水質(zhì)指標可以達到標準的要求;三類:水質(zhì)差,水質(zhì)指標不滿足規(guī)范要求,且某些指標經(jīng)基本水處理后依然不能滿足規(guī)范規(guī)定,不宜采用直接式系統(tǒng)。故評價集為:B={一,二,三}。
2.2模糊關(guān)系矩陣
根據(jù)隸屬度的確定方法,結(jié)合各等級的標準值,確定模糊關(guān)系矩陣。模糊關(guān)系矩陣主要是求出隸屬度rij,采用降半梯形分布函數(shù)可求得隸屬度,從而得到模糊關(guān)系矩陣。根據(jù)課題組不同時間對長江水質(zhì)的測試結(jié)果(表2所示),選取以上5個指標值對長江水質(zhì)進行綜合評價。隸屬度rij的計算公式為:
2.3權(quán)重的確定
權(quán)重是衡量評價因子集中某一因子對水質(zhì)影響相對大小的量,權(quán)重系數(shù)大,則表明該因子對水質(zhì)的影響程度大??梢杂迷u價因子貢獻率的方法確定權(quán)重向量。按照公式:Wi=Xi/Si。其中Xi 是i指標的實測值;Si是i指標的在各個級別(狀態(tài))標準值得均值。以測試時間20101115中指標為例:
因此,從水質(zhì)方面來看,長江作為江水源熱泵的源水時,水質(zhì)達不到標準的要求,需要經(jīng)過水處理后方可進入機組。而在汛期時,由于含沙量和濁度特別大,不利于直接式系統(tǒng),容易引起換熱器結(jié)垢。
3水質(zhì)結(jié)垢潛能值
通過以上評價方法可以較為準確地得到江水水質(zhì)的類別,判斷其引起江水源熱泵換熱器結(jié)垢的可能性,從而確定江水作為水源熱泵源水的利用方式。然而在實際工程應(yīng)用中,利用以上公式計算較為繁瑣。而如果根據(jù)相關(guān)標準規(guī)定檢測多個指標并同時滿足,也是有難度的,因此提出一個既能夠準確反映水質(zhì)參數(shù)對水源熱泵換熱器結(jié)垢的作用,又能夠在實際工程中簡便應(yīng)用的方法,對于水源熱泵用源水的水質(zhì)判斷和系統(tǒng)選擇非常重要。
3.1定義
水質(zhì)中各參數(shù)對換熱器結(jié)垢有著直接的影響,但在目前的污垢研究方面,還沒有一個準確的綜合參數(shù)能夠表達水質(zhì)特性,反映水質(zhì)對結(jié)垢的影響程度。在判斷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)碳酸鈣結(jié)垢時常用到Langelier指數(shù)和Ryznar指數(shù),但這2個指數(shù)僅從PH值方面判斷結(jié)垢情況,然而與普通循環(huán)冷卻水不同,江水中引起換熱器結(jié)垢的因素主要是水中的泥沙及其他金屬離子,根據(jù)上述評價指標分析,定義江水水質(zhì)綜合參數(shù)時主要包括PH值、鐵離子、含沙量、濁度和電導(dǎo)率。綜合江水各水質(zhì)參數(shù)對換熱器結(jié)垢的影響程度及相關(guān)標準對各水質(zhì)參數(shù)的限值規(guī)定,以及相關(guān)研究對各水質(zhì)參數(shù)引起換熱器結(jié)垢的臨界值結(jié)果,將水質(zhì)綜合評價指標定義為水質(zhì)結(jié)垢潛能值(Water Scaling Potential簡稱WSP),其定義式為: