加氯系统防结冰防回水改造
一．概述
保定市地表水厂于2000年6月建成投产，原水是通过65公里长的输水管道取自西大洋水库，取水口位于黄海高程107m的库底，入厂水管道为两条DN1200钢制管道，入厂水温在2～17℃之间。夏秋季水质恶化，氨氮和硫化氢以及锰含量较高，水厂需要投加十几个mg/L的氯气进行氯化消毒。水厂的加氯系统由加氯机、氯瓶间和预加氯、前加氯以及后加氯等三处水射器负压投加点通过地下管道构成。
预加氯的投加点设在进入厂区的管道上，超前前加氯285m，采用W&T的2″可调喉管式水射器，压力服务水就地取自流量24m3/h、扬程40m的水泵。单线最大日投量960kg。
前加氯的投加点设在配水井前的静态混合器上，同样采用W&T的2″可调喉管式水射器，单线最大日投量675kg；压力服务水是通过一条直径为DN100的专用管道取自出厂管网，总长约470m。起始端压力平均在0.4MPa左右。
后加氯的投加点设在滤站至清水池的管道上，采用的是W&T的1″固定水射器，单线最大日投量225kg，压力服务水与前加氯共用。
原设计还在虑站设置了三台服务水补充泵与加氯服务水管相连，参数为Q=7.2m3/h，H=40m。目的是当出厂水压力不足时向服务水管路补充水量，操作方式为现场手动。
二．问题的描述
经过水厂三年多的运行实践，我们发现加氯系统存在一些问题，其中最常见的是加氯水射器常常发生结冰和回水现象，严重地影响着水处理的稳定。
在夏初秋末，前加氯2″水射器在加氯量提升到450kg/day以上时，水射器内部容易出现结冰现象，堵塞气氯通道，造成少加氯或加不上氯，而且无法通过调节水射器喉管开度加以消除。
加氯服务水的供给直接受送水泵站压力的影响。当发生压力异常降低时，由于必须现场手动操作，故当班人员无法及时开启服务补水泵；同时，当管网压力过低时，开启补水泵也无济于事，一是三台泵的总流量不能满足两线四只水射器的要求，二是服务水管与出厂管网间未设止回阀而无法保持压力。
在服务水压力波动、下降和送水泵异常停泵时，因为预、前加氯投加点均存在0.06MPa的背压，常发生水射器回水现象。回水可造成氯气管路堵塞，严重的回水还可使加氯机内部管路进水。虽然维修人员定期检查、更换易损件，同时在气氯管路上又串加了不影响真空值的浮球止回阀，但是效果不是很理想，维护量依然较大。
三．原因分析
1. 加氯系统回水问题，实质是服务水的问题。因为，如果服务水压力稳定，水射器工作就会稳定，那么就不会发生回水。而实际情况也是从此，每次发生加氯系统回水，都是由于服务水出现故障引发的。
2.水射器结冰是由于水射器在大加氯量情况下，出现内腔溅水，水和氯气融合后在较高真空情况下发生结冰。结冰后如果没有足够的环境温度使之融化，就会越积越多，最终导致气路狭窄，使加氯量下降。当结冰达到某个平衡状态时，这个过程就不再继续，但冰也不会自动消融。根据以往的运行经验，水射器结冰均出现在环境温度13℃以下。可见，水射器的结冰是在较低环境气温、腔内溅水和较高真空度共同作用的结果。通过实验我们发现,当把水射器前的服务水压力提升到0.4MPa以上时，结冰现象基本消失。可见，造成水射器内腔溅水的因素应该是服务水的供给压力较低。而前加氯用的是水厂出厂水，压力通过较长的输送管道衰减得比较多，到达前加氯水射器前时，一般只能保证在0.3MPa左右。而与之形成对比的是预加氯，该处的水射器是由水泵就地直接供水，压力0.42MPa ，水射器就没有结冰现象。
3.水射器内部结构存在不足。通过我们对水射器的拆解分析，不难发现，它存在一个容留溅水的内腔，当发生溅水时，水滴会附着在腔内壁上，而且腔壁较厚，当环境温度低于13℃时，覆盖在腔内壁上的水滴或冰点不能从外界获得足够的热量，无法融化，积冰就会越积越多，最后造成气路不畅，影响加氯量。
4.水射器结冰和回水问题与其内部零件参数和质量也存在较大关系。W&T 2″水射器内部的止回复位弹簧的刚度过强，对真空度的消减达到10cmHg。因此，在较大加氯量时，虽然在加氯机上读出的真空值不高，但此时水射器内部仍然保持较高真空，足以使溅到内腔的水蒸发降温，当气温、水温和溅出的水量三者达到一定程度时，就会产生结冰。另外，当发生服务水压力降低（一般在低于0.2MPa）时或没有服务水供给时，水射器活塞动作不是很可靠，而且止回弹簧和活塞O型圈在水氯的联合作用下，极易发生氧化腐蚀、老化而失去密封作用。根据近三年来的实际运行验证，新的普通不锈钢弹簧只能使用1个月左右，普通O型密封圈3个月内也会发生变性老化。
五．解决方案及措施
根据以上分析，我们认为，加氯系统的安全稳定应该放在第一位，其次也要考虑运行成本，避免造成浪费。基于这种思路，我们否定了两种方案，一是在水射器前增加管道泵进行增压，二是断开服务水与主管网的连接，提高压力进行单独供水。通过论证，我们采取了第三种方案：同时从两个方面着手改进，一方面提高服务水的保障性，一方面改进水射器性能。
1.服务水系统改造
· 更换水泵
经过查找水射器的性能资料和实际验证，原来三台7.2m3/h的水泵不能满足两线四只水射器的用水量要求。我们认为，应该对原来三台补水泵的功能做出调整，将补水转变为正常供水，使得出厂水管网压力不足时，由这三台水泵向加氯服务水管路提供充足的水量，并且做到两用一备。根据核对各个水射器的参数，最后，我们确定了三台水泵的参数和型号：流量Q=24m3/h,扬程H=48m的立式多级泵。实践证明，开启两台这样的水泵时，完全能够满足前后加氯水射器的用水要求，而且比单独出厂管网供水压力提高0.06MPa。
· 主管路增加止回阀
为了防止在新的补水泵工作时向出厂水管网倒流，我们在加氯服务水与主管网之间增加了低阻止回阀和相关阀门，这样就达到了平时加氯系统使用出厂管网提供的服务水，当管网压力低到某个设定压力时，三台补水泵开始工作满足系统用水；当管网压力条件符合要求时，停掉补水泵后系统将回自动回到原来状态。
· 增加自动控制
为了将三台补水泵在需要开启时及时投入运行，保证加氯的稳定连续，我们利用厂区控制网络实时传送到水厂中央控制室，由当班人员实施远程监控。同时为了提高可靠性，自动控制未设计自动停功能，而是要由当班人员根据具体情况发出指令来关闭补水泵。自动控 制系统在每次开启水泵前均对每台水泵的运行时间进行检测，每次只依次顺序运行两台工作累计时间较少的水泵；当其中一台出现故障时，控制系统将会自动启动第三台投入工作，同时给出故障报警信号。
2. 水射器改进更新
针对前加氯存在问题，我们对水射器进行了有益的研究，在2003年10月试制成功了新型水射器，它不仅可以有效防止结冰的发生，而且在服务水压力降低或消失时的防回水能力也大大增强。
· 优化结构
采用氯气管居中，压力水居周围的结构，使压力水从包容氯气管的环缝中射出，将氯气引射混合后送至管道，这种结构从根本上防止了压力水的回溅。即使有回溅，由于压力水的温度最低时也有2.0℃以上，水温可以通过较薄的管壁传给氯气管内壁上的冰点或水滴，使之无法持续积累，形不成冰堵。
· 外置止回
采用外置止回机构的方法，使止回机构远离水射器内部，防止了氯气和水的混合氧化腐蚀作用（因为单纯的氯气对一般金属材料的氧化腐蚀性较轻）。另外，止回装置完全采用了非金属结构，弹簧和活塞均是PVC材料，弹簧压力适中，活塞与橡胶孔板配合严密可靠，使之不仅有很好的止回作用，而且对真空值的衰减非常微小。
· 降低成本
本新型水射器没有复杂的结构，原材料使用的仅是通用PVC管件和棒材，成本不过百余元，而购买2″W&T的同类型产品，价格却高达万元，故成本低廉的特点明显。
六、效果考查
经过数月的运行检验，新的加氯系统工作稳定，压力服务水供应可靠，新型水射器也发生任何问题。同时，经过检证，对比W&T产品，加氯效果也未发现有下降异同等现象，故我们认为该加氯系统的改造是成功的。
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