冷却水是大多数工业企业进行生产不可缺少的 工艺条件，据不完全统计，在石油、化工、电力、冶金 等系统冷却水占到总工业用水的60%～70% 在水资 源13益紧张的今天.提高工业冷却用水效率。能有效 降低水资源需求、缓解水资源压力，也符合国家节水 减排的要求。节约用水最有效的办法则是循环用水。

　　由于循环冷却水的不断重复利用.造成冷却水 水质恶化.使冷却水系统产生腐蚀、结垢等水质故 障.严重影响了生产装置的正常运行.造成经济损失 和水资源的浪费.循环冷却水水质稳定处理工作越 来越重要。要做好循环冷却水的水质处理工作，首先 要判断循环冷却水水质稳定的程度 人们通常用一些水质判断指数简称水质指数来描述水质的稳定 性。笔者研究了国内外判断水质稳定性的水质指数。

　　并对它们的特点和适用情况作了概述.提出了基于 智能预测方法建立腐蚀结垢预测模型的方向.以期 为准确、合理判断水质的腐蚀特性和结垢特性提供 参考。

　　1 基于碳酸钙溶解平衡的水质判断指数

　　我国的天然水以重碳酸盐型为主.在循环冷却 水系统中的结垢问题也以碳酸钙为主 以Langelier 为代表的大量学者基于碳酸钙的溶解平衡提出了水 质稳定性的判断指数.为水质特性的定量化研究奠定了基础。其中以国外学者提出较多，我国学者针对 水质指数在实际中的应用也作了大量的研究工作。 现以目前主要的基于碳酸钙溶解平衡的水质判断指 数进行概述

　　1.1 Langelier指数LSI

　　LSI亦称饱和指数[ )是1936年Langelier根据 碳酸钙溶解度平衡式提出来的。它指的是水的实际 pH与该水在碳酸钙饱和时的pH之差，它反映碳酸 钙是否会结晶析出.从而以此来判断水的结垢或腐 蚀趋势。其定义如式(1)：

 

　　上述系数可由查表得出。水质判断结论：当 LSI>0时，有产生碳酸钙沉积的倾向：LSI=0，水质稳 定，无腐蚀结垢倾向;LSI

　　1.2 Ryznar指数RSI

　　RSI亦称稳定指数 .是1944年Ryznar针对 Langelier指数的弊端.在大量实验的基础上提出的 半经验性指数。其定义如式(3)：

　　RSI=2pHs—pH

　　(3) 式中：pH广碳酸钙处于平衡状态时的pH;

　　pH——水的实际pH。

　　RSI主要适合间冷开式循环冷却水系统.有一 定的实践基础，一般认为pH在6.5～8时较准确。

　　水 质判断结论如表1

　　1.3碳酸钙沉淀势CCPP

　　1977年D.T.MerriⅡ和R.L.Sanks提出了碳酸 钙沉淀势(CCPP)㈣.它能给出碳酸钙的沉淀或溶解量的数值，

　　其定义如式(4)：

　　CCPP=100~([Ca ] 一[Ca“] )

　　(4) 式中：[Ca ]广原水样中钙离子的浓度，mol/L; 『Ca2+ ——碳酸钙溶解平衡时的钙离子浓 度.mol/L。 CCPP在定性分析腐蚀结垢的基础之上.可以 定量的给出碳酸钙沉淀或溶解量的数值。

　　水质判断 结论如表2。

　　1.4侵蚀指数AI

　　美国水处理工作者协会于1977年提出了侵蚀 指数(AI) .主要用来鉴定水质对石棉水泥管侵蚀 性的稳定性。它综合了原水中所含的全部离子对碱 度、硬度和pH的影响，统计归纳出它们对侵蚀的作 用.其定义如式(5)：

　　AI=pH+lg(AxH)

　　(5) 式中：pH——水体实际pH; A——水体总碱度(以碳酸钙计)，mg/L; 日——水体总硬度(以碳酸钙计)，rodE。 水质判断结论如下：当AI<10时，水的侵蚀性 高;AI为1O～12时，水具有中等侵蚀性;AI>12时， 该水质无侵蚀性

　　1.5 Puckorius

　　指数PSI PSI亦称结垢指数[1o3.是1979年Puckorius提 出的，用平衡pH代替实际pH，以修正Ryznar指数， 属于纯经验指数。其定义如式(6)：

　　PSI=2pHs-pH

　　(6) 式中：pH广碳酸钙处于平衡状态时的pH; pH蜘一一冷却水的平衡pH。 pH蚺可按式(7)计算： pHi=1.465 lg[M]+4.54

　　(7式中：[M]—令却水的总碱度(以碳酸钙计)，mg/L。 pH 也可通过查表得出。 水质判断结论：当PSI<6时，倾向于结垢：PSI=6 时，水质稳定，不结垢、不腐蚀;PSI>6时，倾向于腐 蚀。PSI修正了pH，在实际判断中尤为准确。适合直 流式冷却系统和地表水补充为主的循环水系统.一 般认为DH在6.5～7.5较准确。

　　1.6 Feitler临界指数和应用指数

　　1972年Feitler通过实验的方法提出了临界指 数 t”，当水中碳酸钙开始沉淀析出时，此时的pH 称为临界pH，用实验测定值pH 表示，其定义如式 (8)：

　　Ft=pH—pHc

　　(8) 式中：pH——水的实际pH; pHr_临界pH。 pile一般超过饱和pH 1.7～2单位，

　　可按式(9) 计算：

　　pHc=pHs+2

　　(9) 水质判断结论：当 >0时，发生结垢现象;当 <一2时，结垢溶解;当 为一2N0时，处于介稳状态。控值pH在临界点上是很难实现的，在实际中常 以控制pH不大于pH 一个单位较为安全，从而引 出应用pH(~I pH 表示)和应用指数y Ⅲ ，其定义如 式(10)和(11)：

　　Yl=pH-pH (10) pHy=pHs+1 (11)

　　水质判断结论：当y。>0时，发生结垢现象;当 Yl<一2时，结垢溶解;当yI为一1 0时，处于介稳状 态。临界指数和应用指数适合各式冷却水系统。对水 质无太多限制

　　1.7推动力指数DFI和暂时过量ME

　　1960年Mc Cauley提出了一种表示碳酸钙溶解 性的方法.定义为推动力指数DFI ]，

　　其定义如式 (12)：

　　DFI=[Ca ~x CCOF] s0

　　(12) 式中：[Ca ]——水中Ca2+的浓度，mmol/L; 『CO3 ]——水中CO 2。的浓度，mmol/L; K∞～一同一温度下CaCO 的溶度积常数。

　　水质判断结论：当DFI=1时，水中碳酸钙恰好 饱和：DFI>I时，水中碳酸钙过饱和，有析出碳酸钙 的倾向：DFI <I时。水中碳酸钙未饱和，有溶解碳酸 钙的倾向 根据溶度积原理还提出了磷酸钙饱和指 数、硫酸钙饱和指数和硅酸盐垢饱和指数等。

　　1958年Dye提出了暂时过量ME[12].ME表示 超过溶度积Km所允许的碳酸钙溶解浓度。是应从 水中沉淀出来的部分.所以称其为暂时过量.其定义 如式(13)：

　　[Ca2~-ME]x[CO32--ME]=Ks0

　　(13) 水质判断结论：当ME>0时.有结垢倾向：ME=0 时。水质基本稳定;ME<0时，有腐蚀倾向。此外。还 可定量给出达到溶解平衡时.水中溶解或沉淀的碳 酸钙量

　　2基于多参数分析的水质判断指数

　　随着人们对水质特性的研究.发现实际循环冷 却水的水质较为复杂 国内外学者通过大量的研究. 提出了基于多参数分析的水质判断指数 其中我国 学者根据实际的水质情况提出了更符合实际需求的 水质判断指数.其考虑的因素更加全面.具有重要的 实际价值和理论价值 现以目前主要的基于多参数 分析的水质判断指数进行概述

　　2.1 拉森腐蚀指数LR LR是Larson和Sk0ld在分析大量水对碳钢腐 蚀时总结出来的 l3]，认为水的腐蚀性与C1一、S042一和 HCO3-密切相关.随后给出了它的经验公式.其定义 如式(14)：

　　LR=[C1一]+[5042-]/CM

　　(14) 式中：[Cl一]——水中Cl一的浓度，mol/L; [SO?-]——水中S042_的浓度，mol/L; C^厂水中的 碱度，mg/L。

　　水质判断结论如下：LR为1～5时，为一般腐蚀; LR为15～20时。为较严重腐蚀：LR为30 40时，为 严重腐蚀。LR主要用于对碳钢的腐蚀判断。文 献[12]还给出了其他一些判断腐蚀特性的指数：(1) Riddick提出的适用于美国东海岸硬度较低水质的 RCI腐蚀指数：(2)1948年Loschiavo根据美国陆 军在新英格兰地区的用水经验提出的Casil指数 CI等。

　　2.2污垢热阻r

　　最早的污垢模型是1924年由McCabe和 R0binson针对蒸发器水垢提出的 但最重要的模型 是1959年Kern和Seaton提出的微分形式污垢分 析模型( 】.这一模型为后来污垢研究奠定了理论基 础。污垢传热系数的倒数称为污垢热阻rF'该值可通 过计算得出.也可通过测量得出 目前要求设备传热 面水侧污垢热阻值应小于3.44x10-4 m2· W：污垢热阻可以衡量不同水质产生的污垢程度.即判断不 同水质的稳定程度。现今污垢热阻多用来评定阻垢 剂的性能。许多科研单位、大专院校等基于此原理研 制冷却水污垢在线监测仪。其定义参考式(15)(其他 表达方法参见文献[15])：

　　2.3极限碳酸盐硬度日极

　　循环水在一定的水质和水温条件下.都有一个 不结垢的最大碳酸盐硬度值(㈦.称其为极限碳酸盐 硬度 ，可通过模拟实验法和经验公式法求得，其 经验计算公式如式(16)：

 

　　2.4差值法

　　人们也常使用经验方法——差值法来判断循环 冷却水的结垢程度，l7]，常见的形式有3种：△A、△ 和△ 。其定义如式(17)、(18)和(19)：

　　水质判断结论：当△A≤O.2时.水质稳定不结 垢：△ 越大，水质越不稳定，结垢程度越严重。 △B≤0.5时，水质稳定不结垢;AB越大.水质越不 稳定，结垢程度越严重：A日≤O.5时，水质稳定不结 垢：差值法只适用于单一水源且水质变化不大的循环冷却水系统。文献[18]针对差值法的不足给出了 安定指数法.它适合于多种水质及多种水质处理方 式，不受补充水水源、水质波动的影响。

　　2.5 总硬浓缩倍数跟随率

　　王永敏等( 19]结合运行实际提出了总硬浓缩倍数 跟随率法.用以监控循环冷却水的水质稳定性.其定 义如式(20)：

　　水质判断结论： R总硬越接近1，说明结垢情况越 少;尺R总硬越偏离1，说明结垢情况越严重。其控制范 围应根据实际运行情况来定.适合补充水水质、循环 冷却水DH变化不大的水质判断

　　2.6腐蚀因子F水和结垢因子

　　水 通过大量的研究和实践经验.李本高等 于 2007年提出了腐蚀因子 和结垢因子 的概念。 腐蚀因子是指某种水质对碳钢在循环水运行条件下 的腐蚀强弱程度。它主要与水中的硬度、碱度、氯离 子浓度和总溶解盐浓度有关。结垢因子是指某种水 质在特定温度下钙硬和碱度的离子积与该温度下达 到平衡时的溶度积的比值 它主要与水中的硬度和 碱度有关 腐蚀因子和结垢因子的计算公式如式 (21)和(22)：

　　水质判断结论：F水越大，说明水对碳钢的腐蚀 性越强，反之，对碳钢的腐蚀性越弱。当 <1时，水 质不结垢，原有结垢发生溶解;.，水=1时，水处于平衡 状态;I，水>l时，水质结垢，比1越大，发生结垢的趋 势越强。可见.腐蚀因子和结垢因子更能准确反映实 际水的腐蚀特性和结垢特性.使用较方便。

　　3结论与展望

　　国内外学者对水质判断指数做了大量的研究工 作，提出了许多判断水质稳定性的指数。所有指数的 提出都希望能够对水质的腐蚀特性和结垢特性作出 准确的判断.以期在水处理实践中起到很好的作用. 但是每种指数在实际应用中都有它的局限性和不 足。

　　在2007版《工业循环冷却水处理设计规范》中， 污垢热阻值和腐蚀速率等指标都作了修改和提高. 对水处理工作提出了更高的要求 也为循环冷却水 水质腐蚀、结垢特性的准确判断提出了更高的要求。

　　综上分析.目前的研究发展趋势有：

　　(1)随着计算机管理信息系统的发展和自动化 综合管理水平的不断提高，如制造执行系统MES、 实验室信息管理系统LIMS等.随之出现了大量化 验数据、生产数据等原始数据。基于丰富的水质和水 量数据.通过智能预测的方法来建立水质腐蚀结垢 预测模型.将水质判断指数和水质预测模型结合起 来，是准确、合理判断水质腐蚀特性和结垢特性的一 个发展方向

　　(2)化学反应时，存在着许多非线性反应， 包括化学振荡、化学波和化学混沌等非线性现象。基 于反馈对非线性化学反应耦合和控制动力学的研 究;基于非线性化学反应的速率、机理和动力学类型 研究的非线性化学反应动力学.对研究水质特性有 重要的指导作用

　　[参考文献]

　　[1]Langeiler W F.The analytical control of anti—corrosive water treat- ment[J].AmericanWaterWorksAssociation，1936，28(10)：1500一 l505.

　　[21王鼎臣.关于碳酸盐型水质稳定性指数判定法的讨论[J].水处 理技术.1994，20(4)：219—229.

　　[3]Miyamoto H K，Silbert M D.New approach to the Langelier stability index[J].Chem.Eng.，1986，28：89-92.

　　[4]刘绍银.水的CaCO3稳定性判断[J].工业水处理，1990，10(4)： 9—12.

　　『51陈震平.用兰格指数判断模拟灰水的结垢趋势『J].福建电力与电工，1996，16(1)：37—39. [6]李克勋，张振家.水中CaCO，稳定计算数学模型的探讨[J].环境 科学学报，2001，21(增刊)：65—69.