電廠循環(huán)冷卻水源熱泵系統(tǒng)水質(zhì)問題探討

李 楊，冉春雨

（吉林建筑工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021）

電廠循環(huán)冷卻水源熱泵系統(tǒng)水質(zhì)問題探討

李 楊，冉春雨

（吉林建筑工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021）

在北方嚴(yán)寒地區(qū)，電廠循環(huán)冷卻水蘊(yùn)含的大量的低溫余熱，可以作為熱泵的冷熱源向建筑物供暖。本文介紹了電廠循環(huán)冷卻水源熱泵系統(tǒng)中存在的水質(zhì)、腐蝕、結(jié)垢等問題，以及在解決這些問題時(shí)要注意的事項(xiàng)。

電廠循環(huán)冷卻水；水質(zhì)；污垢；除垢

電廠循環(huán)冷卻水是一種蘊(yùn)含大量低溫余熱的熱能資源，在我國(guó)、加拿大和美國(guó)已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用[1]。但是由于電廠循環(huán)冷卻水的水質(zhì)問題比較復(fù)雜，因此大多數(shù)換熱技術(shù)還是采取間接式換熱方法，即采用間接式水源熱泵供熱系統(tǒng)（圖1）。

圖1 間接式循環(huán)水源熱泵系統(tǒng)供熱流程

1 電廠循環(huán)冷卻水的水質(zhì)情況和水質(zhì)基本要求

冷卻水的來源一般是自來水，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著水分不斷蒸發(fā)，鹽類含量越來越高，最后水質(zhì)逐漸下降。由于冷卻水直接與大氣接觸，冷卻水流經(jīng)冷卻塔冷卻時(shí)空氣中固體顆粒的沉降和介質(zhì)泄漏，也會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)降低。有機(jī)物可以使水中藻類大量繁殖，堵塞換熱器和用水設(shè)備管路，甚至使金屬管路結(jié)垢、腐蝕，輕則降低換熱器的傳熱效率，重則造成管道堵塞，影響機(jī)組運(yùn)行。

東北地區(qū)冷卻水系統(tǒng)通常為敞開式系統(tǒng)，將水中的沉淀物質(zhì)、腐蝕及主要離子的控制作為基本水質(zhì)指標(biāo)，水質(zhì)指標(biāo)如表1所示[2]。

表1 敞開式冷卻系統(tǒng)冷卻水的主要水質(zhì)指標(biāo)

2 電廠冷卻水系統(tǒng)腐蝕類型及危害

2.1 電化學(xué)腐蝕

水中溶解氧引起的電化學(xué)腐蝕，即在金屬表面形成微電池，在陽(yáng)極區(qū)發(fā)生下面的反應(yīng)：Fe→Fe2++2e；在陰極區(qū)發(fā)生2H2O+O2+4 e→4OH-；在水中發(fā)生Fe+2OH-→Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2的溶解度很低，在20℃的水中極易氧化，即4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓。根據(jù)腐蝕面積的大小可以分為點(diǎn)腐蝕、電偶腐蝕、氧濃差腐蝕和不銹鋼應(yīng)力破裂腐蝕。管道表面的“微電池”將會(huì)不斷侵蝕管道，從而導(dǎo)致管道破裂，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。

2.2 微生物腐蝕

微生物黏液與無(wú)機(jī)垢和泥沙等形成的沉積物附著在金屬表面，妨礙氧氣進(jìn)入，使沉淀膜下方缺氧而變?yōu)殛?yáng)極，周圍金屬變?yōu)殛帢O，形成氧的濃差電池，使金屬腐蝕，即微生物腐蝕。主要發(fā)生下述反應(yīng)：+8H+8e=S2-+4H2O+能量和Fe2++S2-=FeS↓。逐漸腐蝕金屬管道，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管道穿孔破裂，使冷卻水與介質(zhì)相互滲漏，引起水冷器傳熱效率下降或管線阻礙。

2.3 生物粘泥腐蝕

由于光照和水溫升高，水中細(xì)菌和藻類迅速繁殖，分泌的黏液將水中浮塵雜質(zhì)和化學(xué)沉淀物等粘附在一起，形成粘稠的沉積物附著在換熱器的傳熱表面上，稱為生物粘泥或軟垢。這種腐蝕會(huì)使冷卻水的流量減少，降低換熱器的冷卻效率；如果生物粘泥將管子堵死，冷卻水系統(tǒng)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4 其他離子引起的腐蝕

除了含重碳酸鹽以外，氯化物、硫酸鹽等也是循環(huán)水中含量較多的鹽類。Cl-和會(huì)降低金屬保護(hù)膜的保護(hù)性能，特別是Cl-穿過保護(hù)膜與氧發(fā)生反應(yīng)，可加速碳鋼的腐蝕。如果冷卻水中Cl-含量過高，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備上應(yīng)力集中的部分迅速遭到腐蝕破壞。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般要求Cl-的含量不超過300mg·L-1。

3 電廠循環(huán)冷卻水污垢引起的問題

3.1 換熱系數(shù)降低

根據(jù)有關(guān)資料顯示[3-5]，重碳酸鹽是冷卻水產(chǎn)生水垢的主要成分。重碳酸鹽的濃度濃度達(dá)到過飽和時(shí)，或者當(dāng)冷卻水流經(jīng)換熱器傳熱表面時(shí)，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O，Mg(HCO3)2=MgCO3↓+CO2↑+H2O。其中的MgCO3會(huì)與水反應(yīng)，生成難溶的Mg(OH)2。CaCO3與Mg(OH)2沉積在換熱器傳熱表面，形成致密的水垢，其導(dǎo)熱系數(shù)通常小于1.16W/ (m2·K)，因此導(dǎo)熱性能很差。而鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為46.4-52.2 W/(m2·K)，可見水垢形成，必然會(huì)影響換熱器的傳熱效率。

3.2 流動(dòng)阻力增加

流體對(duì)物體的阻力分兩種：一是流體粘性帶來的粘滯阻力，二是物體周圍流體流速差引起的壓差阻力。根據(jù)阻力通式R=ψd2υ2ρ(式中d—顆粒直徑；υ—顆粒與流體的相對(duì)速度；ρ—流體密度；ψ—阻力系數(shù))可知，水中固體污垢會(huì)加強(qiáng)流體的粘稠度和流體內(nèi)部的湍流，即υ變大，因此對(duì)管壁的沖刷作用和局部阻力均加強(qiáng)；隨著附著在管壁上的污垢逐漸增加，管路的橫截面積將減小，當(dāng)水流量恒定時(shí)，會(huì)增加流體的流速，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備阻力上升，加重水泵的功耗并使其不能在最佳狀態(tài)運(yùn)行，使系統(tǒng)節(jié)能效果降低。

4 電廠冷卻水的除垢方法

4.1 水中微生物的去除和控制

對(duì)于水中微生物來說，通常在水中添加氧化殺生劑、非氧化殺生劑和生物分散劑，避免冷卻水被陽(yáng)光直射，利用旁流過濾相對(duì)較大體積的生物團(tuán)，定期清洗管道等方法。但是由于普通的旁濾設(shè)備精度低，只能去除顆粒大于55um的雜質(zhì)，而冷卻循環(huán)水中的鐵銹、泥沙等主要物質(zhì)并不能被去除。根據(jù)國(guó)家冷卻循環(huán)水設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定[6]，在對(duì)冷卻循環(huán)水中的藻類、懸浮物、污垢、腐蝕、生物粘泥和介質(zhì)進(jìn)行處理及控制的同時(shí)，還必須控制水質(zhì)的濃縮比，首選補(bǔ)充自來水或總硬度在300mg/L（CaCO3或MgCO3）左右的地下水時(shí)，將濃縮比控制在2.5倍左右。

4.2 水中離子的去除和結(jié)垢控制指標(biāo)

冷卻水中的鈣鎂離子的去除主要有兩種方法：⑴離子交換樹脂法。讓水流通過離子交換樹脂，使Ca2＋、Mg2＋吸附在樹脂上，從而達(dá)到去除Ca2＋、Mg2＋的目的。⑵軟化法。加入石灰可去除Ca2＋、Mg2＋，使其變?yōu)殡y溶化合物從而沉淀下來。加入NaOH可除去重碳酸鹽堿度和鎂硬，可調(diào)節(jié)水中PH值。加入NaCO3可除去永硬部分的鈣，但是不能調(diào)節(jié)水中的PH值。在實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)不同的水質(zhì)特點(diǎn)，可同時(shí)加入以上三種物質(zhì)，效果更好。加入酸類（通常加硫酸）或通入二氧化碳?xì)怏w使重酸鹽類物質(zhì)穩(wěn)定下來，然后加入阻垢劑，從而達(dá)到去除水垢的目的。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)情況，在系統(tǒng)中回水管安裝過濾設(shè)備、菌藻設(shè)備、全程處理器分別來解決污垢、菌藻類滋生的生物垢和懸浮、雜質(zhì)、藻類等引起的復(fù)合垢問題。

由于循環(huán)水的水質(zhì)情況很復(fù)雜，因此不能用單一的水質(zhì)穩(wěn)定法來處理結(jié)垢和腐蝕的問題，也不能通過溶度積理論來得出結(jié)垢控制指標(biāo)值。根據(jù)循環(huán)水的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)循環(huán)水的結(jié)垢趨勢(shì)的估計(jì)以及結(jié)垢情況的分析，可以得出相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)（表2）。

表2 循環(huán)水結(jié)垢控制指標(biāo)

5 循環(huán)水運(yùn)行時(shí)的水質(zhì)管理

在換熱時(shí)，應(yīng)使用處理過的循環(huán)水，減少水對(duì)換熱器的腐蝕。從結(jié)構(gòu)、換熱效率和換熱效果來說可以選擇高效螺紋換熱管，高效螺紋管又可分為內(nèi)擠壓螺紋管和外螺紋管。其中，內(nèi)擠壓螺紋管管內(nèi)水流動(dòng)時(shí)通常呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，擾動(dòng)性比較大，相對(duì)于光管中水流呈現(xiàn)層流狀態(tài)而言，水中的粘性物質(zhì)、污垢等不易沉積，防垢效果相對(duì)較好。循環(huán)水水質(zhì)的控制還可以采取溢流、提高或降低濃縮倍率的方法。溢流主要是靠稀釋循環(huán)水濃度來達(dá)到防腐防垢的目的，卻不能去除水中的鹽類、藻類和菌類。如果補(bǔ)水中的氯離子降低，堿度和硬度也有所下降，可適當(dāng)提高濃縮倍率。合理控制循環(huán)水中的有機(jī)磷的含量，可以有效地控制循環(huán)水的結(jié)構(gòu)趨勢(shì)。

[1]吳榮華,徐瑩,孫德興,等.污水源及地表水源熱泵取水換熱技術(shù)研究應(yīng)用進(jìn)展[J].暖通空調(diào),2008,38(6):25.

[2]王選禹,蔡偉江.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)處理[J].黑龍江紡織,2004(2):12.

[3]邵波.電廠循環(huán)冷卻水殺菌劑的研究[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007(3):23-24.

[4]李良濤.電廠循環(huán)冷卻水化學(xué)穩(wěn)定處理試驗(yàn)研究[D].北京:華北電力大學(xué),2007:25-30.

[5]陳穎敏,李靜,張雅春.電廠循環(huán)冷卻水處理方案試驗(yàn)[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2008,38(1):11-14.

[6]火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

Discussion on Water Quality Problems of Power Plant Circulating Cooling Water Source Heat Pump System

LI Yang，RANChun-yu
（Jilin Institute ofArchitectural and Civil Engineering,Changchun 130021,China）

In the northern cold areas,the circulating cooling water of power plant contains plenty of low temperature waste heat,which can offer heating to the buildings as cold and heat sources.This article describes the problems of water quality,corrosion and scaling in the power plant circulating cooling water source heat pump system,and the matters needed topayattention toin solvingthese problems.

power plant circulatingcoolingwater;water quality;dirt;scale removal

TU833

A

1008-178X(2012)09-0056-04

2012-06-03

李 楊（1983-），女，吉林長(zhǎng)春人，吉林建筑工程學(xué)院教師，碩士，從事建筑環(huán)境控制系統(tǒng)節(jié)能研究。