工业循环水系统是石油化工、电力、冶金、制药等众多行业的“血脉”，负责为生产装置中的换热器、冷凝器、反应釜等关键设备提供冷却或加热介质。然而，系统中普遍存在的结垢问题，如同“血管粥样硬化”，会从多方面对生产工艺的稳定性、经济性和安全性造成严重的负面影响。

一、结垢的成因与本质

循环水中的结垢主要源于水中溶解的过饱和盐类（如碳酸钙、硫酸钙、硅酸盐）在换热器壁等表面析出、沉积而成。其根本驱动力是：

1. 温度变化：换热器表面温度升高，促使碳酸氢钙分解为碳酸钙垢。

2. 水分蒸发：冷却塔中水分不断蒸发，导致水中盐分浓度升高，超过饱和溶解度。

3. 流速过低：水流速度不足以冲刷带走析出的微晶，为其附着生长提供了条件。

结垢的本质是在传热表面附加了一层致密、坚硬、导热性极差的热阻层。

二、结垢对能源消耗的严重影响：厚度与能耗的指数级增长

结垢最直接、最显著的危害是导致能源消耗的急剧上升。

1. 热阻效应与能耗增加：

洁净的金属换热壁面导热系数极高（例如碳钢为45-50 W/m·K），而水垢的导热系数极低（碳酸钙垢约为0.6-2.0 W/m·K，硅酸盐垢更低）。这意味着，一层薄薄的水垢就会产生巨大的额外热阻。

公式直观体现：

传热基本公式Q = U × A × ΔTm

其中，Q为传热量，U为总传热系数，A为传热面积，ΔTm为平均温差。

结垢后，总传热系数U值急剧下降。为了维持生产工艺所需的热负荷Q（即保证冷却或加热效果不变），系统只能通过以下两种方式补偿：

增大平均温差ΔTm：对于冷却器，这意味着必须降低冷却水温度或降低工艺介质的出口温度，这通常需要增大制冷机组负荷或降低生产效率。

增大驱动力：更常见的方式是，为了维持工艺介质的目标温度，蒸汽加热系统需提高蒸汽压力（温度），或水泵需加大流量以试图增强换热。这两种做法都直接导致了蒸汽、电力的消耗大幅增加。

2. 结垢厚度与能耗的关系：

能耗的增加并非线性，而是随着垢层厚度的增加呈指数上升趋势。研究表明，0.5mm的垢厚可使传热效率下降30%以上，能耗相应增加10%以上。当垢厚达到1.5-2mm时，能耗增幅可超过30%。这对于全年连续运行的工业装置来说，是一笔巨大的、不必要的能源开支。

三、换热效率下降对生产工艺的直接影响

结垢导致的换热效率下降，会直接干扰核心生产工艺的稳定运行。

1. 产品质量下降：许多化学反应和物理过程对温度极其敏感。例如，在聚合反应中，温度控制偏差一度就可能导致分子量分布不均，产品等级降低甚至成为废品。冷凝器结垢导致冷凝效果变差，会造成精馏塔顶回流液温度升高，破坏塔内气液平衡，最终导致产品纯度不达标。

2. 生产能力下降：为了保护设备或因换热不足，系统往往无法在设计的满负荷下运行。例如，一台结垢的裂解气压缩机段间冷却器，无法将工艺气体冷却到预定温度，会直接限制下一阶段的处理量，迫使整个装置降负荷生产，影响产量。

3. 工艺稳定性与安全风险：换热效率不足可能导致工艺介质温度失控。高温可能引发副反应、催化剂烧结失效，甚至引发物料分解、超压等安全事故。在极端情况下，因冷却失效而引发的安全事故在国内外时有发生。

四、结垢对管路系统及附属设备的影响

结垢不仅发生在换热器内，整个循环水系统都会受到影响。

1. 管路阻力增加，泵送能耗激增：垢层会使管道内径变小，内壁粗糙度增加，显著增大水流阻力。为了维持系统所需的流量和压力，循环水泵必须提供更高的扬程，导致电耗大幅增加，运行成本上升。

2. 设备寿命缩短：

l 垢下腐蚀：垢层本身具有吸湿性，其覆盖下的金属表面与外界隔绝，形成氧浓差电池，引发严重的局部垢下腐蚀。这种腐蚀速度快，且不易察觉，极易导致设备穿孔泄漏。

l 机械损伤：清理坚硬垢层时的机械打磨或高压水射流可能损伤金属本体。

l 流量分布不均：在并联换热器组中，结垢程度不同的管路流量分配会失衡，进一步加剧某些设备的恶化。

l 过滤器、阀门失效：剥落的垢片会堵塞过滤器、Y型斯特rainer，增加维护频次。也可能卡塞阀门，导致调节失灵。

五、结垢对传感器测量的影响及连锁反应

现代工业生产高度依赖自动化控制，而传感器是其“眼睛”和“耳朵”。结垢会严重干扰关键传感器的测量，导致控制系统做出错误决策。

1. 温度传感器（TT）：垢层包裹在温度探针表面，使其无法灵敏、准确地感知流体的真实温度。一个被垢层“绝缘”的温度计显示的温度会低于实际流体温度（对于冷却过程）。控制系统根据这个错误信号会错误地判断换热已充分，从而减少冷却水流量或关闭调节阀，进一步加剧工艺介质的超温风险。

2. 流量传感器（FT）：

电磁流量计：结垢会改变电极间的导通状态，并减小测量管径，导致测量值严重偏低。

超声波流量计：垢层会阻碍声波的穿透和反射，导致信号衰减甚至失准。

孔板/涡街流量计：结垢会改变节流元件的几何形状和尺寸，使其测量特性偏离设计曲线，造成永久性偏差。

流量测量失准会使操作人员无法掌握真实的工况，水处理药剂的投加量也无法根据浓缩倍数准确控制。

3. 压力传感器（PT）：测压口被垢物堵塞，会使压力读数失灵，无法及时反映系统压力异常，如泵的出口压力或过滤器压差，贻误维护时机。

4. pH、电导率等在线水质仪表：这些仪表的探头表面结垢是最常见的问题。垢层会完全隔绝探头与水的接触，导致测量值停滞不动或严重失真，使水质监控系统形同虚设，无法及时预警结垢趋势和指导排污、加药。

六、结论与对策

工业循环水系统的结垢绝非一个可以忽视的“小问题”，它是一个系统性难题，会从能耗、工艺、设备、控制四个维度全面侵蚀生产效益和安全。

l 经济效益：表现为惊人的能源浪费、产量损失和频繁的维护成本。

l 安全与稳定：表现为产品质量波动、非计划停车和潜在的安全隐患。

因此，必须采取系统性的应对策略：

1. 主动预防：建立完善的水质处理方案，从源头控制垢的形成。

2. 智能监控：采用在线监测设备（如示踪型结垢监测仪）实时评估结垢趋势，而非被动等待问题出现。

3. 定期维护：制定科学的清洗计划，保持换热面清洁。

4. 系统设计优化：保证管路设计流速，选用抗垢型换热管（如波纹管），为关键传感器设计便于检查和清洗的安装方式。

将循环水系统作为一个重要的工艺单元进行管理和优化，对其结垢问题进行有效防控，是保障整个生产装置安、稳、长、满、优运行，实现节能降耗和提升企业竞争力的关键环节。