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交变磁场对冷却水典型致垢水质参数影响及抑垢机理研究

吕喆  
【摘要】:近年来随着节能降耗压力的与日俱增,换热设备在电厂节能降耗中起着越来越重要的作用,但循环冷却水中携带的致垢粒子在一定条件下附着在换热设备表面并形成污垢,严重制约了设备的换热性能。因而,深入研究冷却水中的致垢因素和换热设备表面结垢之间的关联特性,揭示冷却水中致垢粒子的结垢机理,并获得快速反映结垢特性的判据变量,对于换热设备表面的防垢、抑垢和除垢,以及提升换热设备的换热性能和实现节能降耗具有重要意义。本文针对冷却水污垢热阻的不确定性和滞后性,在假定换热设备参数恒定的条件下,基于自主设计和搭建的冷却水污垢热阻智能在线监测实验台,对不同运行参数条件下冷却水的典型致垢水质参数(包括电导率、pH和溶解氧)进行监测和分析,研究交变磁场作用下换热设备表面结垢和冷却水水质参数的关联特性,并获得监测换热设备表面结垢的定量判据。其次,对交变磁场的运行参数和冷却水水质参数的关联特性进行研究,实现通过交变磁场运行参数变化来控制冷却水水质参数,间接控制污垢热阻,并建立交变磁场作用下冷却水水质参数与换热设备表面污垢热阻之间的预测模型。另外,本文还基于分子动力学模拟软件,对不同磁感应强度作用下的纯水(H2O)模型和碳酸钙(CaC03)溶液模型进行研究,进而从微观的角度对交变磁场作用下的抑垢机理进行深入地研究。具体如下:首先,基于自主设计、搭建的冷却水污垢热阻智能在线监测实验台,对不同磁感应强度条件下的污垢热阻和冷却水典型致垢水质参数(包括电导率、pH和溶解氧)变化情况进行监测,并据此对换热设备表面的结垢机理进行分析,同时还对污垢诱导期的计算方法进行了推导。在上述实验研究基础上,还分别基于数理统计分析法和灰色关联分析法分析了冷却水典型致垢水质参数(包括电导率、pH和溶解氧)与换热设备表面污垢热阻之间的关联特性。研究结果表明,冷却水的电导率与污垢热阻间的关联度最大,pH次之,溶解氧最小。因而,较pH和溶解氧相比,冷却水的电导率更能反映污垢热阻的变化,更适合作为快速反映换热设备表面结垢的定量判据。其次,基于循环冷却水动态模拟实验装置,以磁记忆效应时间作为评价指标对交变磁场的运行参数和冷却水电导率的关联特性进行了研究,即磁感应强度、磁场作用时间和溶液浓度对电导率的影响情况,而且还对上述参数进行了极差分析和方差分析。同时,在上述实验研究基础上还建立了交变磁场作用下冷却水典型致垢水质参数与换热设备表面污垢热阻之间的预测模型。研究结果表明,相比于磁场作用时间和溶液的浓度,磁感应强度对冷却水电导率的影响效果更为明显。因而,通过改变交变磁场的强度可以间接控制换热设备表面的污垢热阻,即实现了抑垢。第三,基于冷却水污垢热阻智能在线监测实验台对不同交变磁场磁感应强度(0~250 Gs)条件下的抑垢特性进行了实验研究。研究结果表明,在交变磁场的磁感应强度为200 Gs时,污垢诱导期的时间最长,达到了 10536分钟,即抑垢效果最好。因而,以200 Gs磁感应强度下的典型致垢水质参数(包括电导率、pH和溶解氧)作为输入参数,污垢热阻为输出结果,建立了 GA-Elman神经网络的污垢热阻和结垢倾向性预测模型。该模型充分考虑了换热设备污垢生长过程中的时间特性和磁场特性,因而,其预测结果可以作为一个有无结垢倾向或衡量结垢程度的定量判据。最后,基于分子动力学模拟的方法分别对在不同磁感应强度作用下的纯水(H20)模型和碳酸钙(CaC03)溶液模型进行了计算研究,通过分析不同磁感应强度下模型中微观粒子的径向分布函数和均方位移揭示微观粒子的运动轨迹和微团簇结构,进而从微观的角度对交变磁场作用下的抑垢机理进行深入地研究。研究结果表明,在磁场的作用下水分子的运动范围有所缩小,且水分子之间更易于通过氢键结合生成较大的水分子团簇结构。同时,磁场还使得水分子与钙离子通过水合作用形成水合钙离子的概率大大增加,即水分子在钙离子表面形成一层水化层,并将钙离子紧密包裹起来,防止钙离子与碳酸根离子发生碰撞进一步结合生成碳酸钙,从而起到了抑垢的效果。本文通过宏观实验与微观机理分析相结合,明确了交变磁场对换热设备污垢抑制的机理并建立有效的换热设备污垢预测模型。


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