供熱機組水汽系統(tǒng)有機物行為的研究

王國蓉

(望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155)

供熱機組水汽系統(tǒng)有機物行為的研究

王國蓉

(望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155)

隨著大容量、高參數(shù)機組成為發(fā)電助理機組，純發(fā)電的大中型機組面臨巨大的經(jīng)營壓力，對其進行供熱改造提升經(jīng)濟效益具有重大的意義。供熱改造后由于補水量的增大，給水有機物對機組水汽品質(zhì)的影響就顯得更加突出。從爐外水處理系統(tǒng)到爐內(nèi)水汽系統(tǒng)對有機物行為進行研究，探討系統(tǒng)各階段有機物的去除效果、有機物對水汽品質(zhì)的影響以及對鍋爐受熱面腐蝕的作用，為供熱機組水處理系統(tǒng)的改進提出建議。

大中型機組；供熱；水汽系統(tǒng)；有機物；腐蝕

1 設(shè)備現(xiàn)狀

國內(nèi)裝機容量快速增長，火電機組利用小時數(shù)逐年降低，純發(fā)電的大中型機組面臨巨大的經(jīng)營壓力。在我國宏觀經(jīng)濟下行壓力較大的背景下，火電機組利用小時數(shù)或?qū)⒗^續(xù)下降。采取“以熱定電”方式運行的供熱機組的發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)一般更有保障，在國家關(guān)停一批小火電后，熱電聯(lián)產(chǎn)項目在尚未按合理供熱半徑布局到位的前提下，有明顯的供熱區(qū)域空間可以利用；同時，現(xiàn)有大中型燃煤機組一般處在中心城市邊緣且在有效供熱半徑內(nèi)，進行集中供熱具有明顯的區(qū)位優(yōu)勢，比新投資建設(shè)熱電項目更節(jié)省投資。改造后實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，可以充分利用現(xiàn)有設(shè)備，淘汰落后產(chǎn)能，針對當前環(huán)境污染日益嚴重的局面，既節(jié)能，又環(huán)保，具有良好示范作用。

然而，對于以地表水為補給水的機組而言，因為供熱帶來的補給水量大幅上升，由補給水帶入水汽系統(tǒng)的有機物對水汽品質(zhì)的影響以及對設(shè)備的腐蝕等影響就成為了一個需要高度重視的問題。

2 有機物對機組設(shè)備的影響

TOC是表示水中所有有機物污染物的總碳含量，是評價水中有機物污染的綜合指標[1]。有機物在高溫高壓蒸汽中被分解為RCOOH，CO2和H2O，最普遍的分解產(chǎn)物為HCOOH和CH3COOH。這類低分子有機酸作為去極化劑，對加快機組受熱面的腐蝕以及汽輪機葉片的腐蝕作用非常顯著。國際汽輪機制造組織的專家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了單純二氧化碳造成的汽輪機腐蝕事故的案例。有機酸與鐵形成的腐蝕產(chǎn)物還可以加快氯誘導應(yīng)力腐蝕。

有機物對機組水汽系統(tǒng)品質(zhì)的影響也是比較顯著的。以望亭發(fā)電廠660 MW機組為例，進行供熱改造前后給水及蒸汽的氫導有明顯的上升，同時水汽銅鐵含量也有一定的劣化趨勢，可見，因補水帶入系統(tǒng)的有機物對機組設(shè)備的腐蝕具有明顯的負面作用。

3 設(shè)備概況

望亭發(fā)電廠供熱機組為1×310 MW，1×330 MW，2×660 MW燃煤機組，其中#11機組為310 MW，#14機組為330 MW，是亞臨界汽包爐燃煤機組；#3，#4機組為660 MW超超臨界直流爐燃煤機組。

化學補給水的水源為望虞河水，凈水系統(tǒng)流程為：進水水源→原水升壓泵→沉淀池→濾池→綜合清水池。供熱機組化學補給水處理設(shè)備系統(tǒng)為：超濾、反滲透、一級除鹽和混床。超濾裝置出力為6×223 t/h，反滲透裝置出力為6×150 t/h，除鹽設(shè)備出力為6×150 t/h。

4臺供熱機組給水均采用加氨的氧化性全揮發(fā)處理。#11，#14機組爐內(nèi)采用低磷酸鹽處理。每臺機組的汽、水監(jiān)督各配備1套集中取樣裝置。

4 有機物在爐外水處理系統(tǒng)中的行為分析

4.1 有機物在補給水系統(tǒng)中的行為

望亭發(fā)電廠供熱機組水汽系統(tǒng)中的TOC主要來源于化學補給水，但其根本來源于電廠的補給水原水——太湖水。近年來，太湖周邊地區(qū)工業(yè)發(fā)展速度較快，隨之而來的太湖水源污染問題也日益突出，太湖水質(zhì)每況愈下，主要呈現(xiàn)為水體有機物含量高。針對這一問題，電廠化學補給水處理系統(tǒng)設(shè)計采用預(yù)處理+超濾+反滲透+二級離子交換除鹽的處理工藝。隨著膜技術(shù)的不斷發(fā)展，其在水處理工藝中的運用也逐漸得到推廣，特別是反滲透具有良好的脫鹽率和對有機物有較高的去除效果。在正常情況下，水中TOC質(zhì)量濃度一般小于15 mg/L，在大多數(shù)原水中其質(zhì)量濃度為3～7 mg/L，相對分子質(zhì)量大于200的有機化合物都可以很好地被返滲透去除，所以使其經(jīng)濟性尤為突出。但是反滲透膜是一種緊密度很高的分離物質(zhì)，對進水有較高的要求，大量實際運行經(jīng)驗證明，為了維持反滲透裝置的高脫鹽和透水能力，必須合理地控制運行條件。

表1 補給水水處理各階段TOC含量及去除率

4.2 補給水TOC分布及處理

望亭發(fā)電廠采用超濾裝置作為反滲透的預(yù)處理，可有效地去除水中大部分的懸浮物、膠體、病毒、細菌等雜質(zhì)，確保反滲透進水污染指數(shù)(SDI)合格。僅從TOC指標來看，炭床、超濾裝置和反滲透裝置對有機物的去除率分別為7.8%，3.3%和96.2%。這是由于超濾進水是經(jīng)過混凝澄清和過濾處理的清水，大部分的高分子有機物都已經(jīng)去除，水質(zhì)中有機物分布主要集中在低分子有機物。超濾裝置對低分子有機物沒有截留能力，而反滲透裝置能將相對分子量大于200的有機物全部去除。圖1、圖2所示為補給水系統(tǒng)各測點TOC含量及TOC去除率分布情況。

圖1 望亭發(fā)電廠供熱機組化學補給水系統(tǒng)TOC含量分布

圖2 望亭發(fā)電廠化學補給水系統(tǒng)TOC去除率分布

望亭發(fā)電廠補給水處理系統(tǒng)各測點的TOC含量及設(shè)備的有機物去除效率，見表1。

由表1可知，給水TOC含量控制在較低水平，完全滿足機組用水要求。但考慮到機組供熱后，補水量上升到供熱前的5～6倍以上，盡管有機物含量達到國標標準[2]，但帶入系統(tǒng)的有機物總量給機組帶來的影響仍不容忽視。

續(xù)表

表2 有機物在各取樣點分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計 μg/kg

4.3 水中TOC對補給水系統(tǒng)的影響

如圖2所示，在補給水處理系統(tǒng)中，有機物去除的最主要設(shè)備是反滲透裝置。根據(jù)相關(guān)資料顯示，就天然水體而言，反滲透系統(tǒng)存在潛在有機垢趨勢的粗略判斷標準為：TOC大于3 mg/L，生化需氧量(BOD)大于5 mg/L或者化學需氧量(COD)大于8 mg/L。望亭發(fā)電廠補給水系統(tǒng)經(jīng)過混凝澄清及沉淀過濾等預(yù)處理后，工業(yè)水(超濾裝置進水)的有機物質(zhì)量濃度在3～7 mg/L。從原水有機物含量來看，反滲透膜仍存在有機物污染及有機垢沉積的風險。為此，應(yīng)在設(shè)備運行和維護上加強管理，加強對超濾及反滲透膜管的化學清洗，保證超濾透膜壓差在10 kPa以內(nèi),反滲透系統(tǒng)的脫鹽率在98%以上，進出口壓差控制在0.5 MPa以內(nèi)。

活性炭過濾器對有機物的去除有比較明顯的效果，但活性炭過濾器的吸附容量有一定限制，要達到理想的去除有機物的效果，就要加強對活性炭過濾器的運行管理，包括定期的反洗以及及時的再生或更換。

在有機物基數(shù)比較大的情況下，保安過濾器對有機物也有較明顯的去除效果，特別是大分子有機物，所以在運行中要加強保安過濾器的反洗，以確保其發(fā)揮作用。

4.4 水中微生物對補給水系統(tǒng)的影響

在凈水處理系統(tǒng)中，盡管SDI合格，仍然有可能在反滲透膜表面形成大量黏泥狀生物膜，造成反滲透運行壓差增大，產(chǎn)水量下降并降低出水品質(zhì)。同時，微生物膜不溶于酸，也難溶于堿，難以徹底清洗。為解決這個問題，在超濾裝置前添加非氧化性殺菌劑，結(jié)合氧化性殺菌劑，強化殺菌效果。但因為非氧化性殺菌劑本身是一種有機物的混合物，在殺菌的同時也提高了水中有機物的含量。

5 有機物在爐內(nèi)行為分析

5.1 有機物在鍋內(nèi)的分布情況

以望亭發(fā)電廠#3機組為例，爐內(nèi)水汽系統(tǒng)各階段的水汽總碳(TC)、TOC和總無機碳(IC)的分析結(jié)果見表2，變化趨勢圖3所示。

從總有機碳含量曲線圖可以看出，給水中有機碳在除氧器出口至省煤器進口階段大量分解，有近一半含量的有機物分解成CO2。在省煤器至高溫過熱器出口階段，有機物繼續(xù)分解為CO2，但分解數(shù)量逐漸減少?？傆袡C碳的減少，同時反映出分解生產(chǎn)的低分子有機酸與鐵反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物在鍋內(nèi)沉積。

圖3 各取樣點碳含量變化趨勢

從總碳含量及無機碳含量趨勢圖可以看出，總碳含量同樣逐漸減少，CO2含量并未隨著有機物的分解而上升。由此可以推斷，分解形成的CO2與受熱面的鐵反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物在鍋內(nèi)沉積，顯示出有機物對受熱面保護的負面影響。

5.2 有機物對水汽品質(zhì)的影響

由于機組進行供熱改造，補給水量大幅上升，由補給水帶來的有機物總量也相應(yīng)大幅上升。有機物在鍋內(nèi)發(fā)生分解，產(chǎn)生低分子有機酸等物質(zhì)，從而影響機組的水汽品質(zhì)。從望亭發(fā)電廠#3機組供熱前后的氫導數(shù)據(jù)可以明顯看出，有機物對水汽品質(zhì)存在負面影響。

由表3可知，供熱改造后給水、主蒸汽的氫導均較供熱前有所升高，主蒸汽氫導的升高幅度明顯高于給水?？梢?，有機物對水汽品質(zhì)的負面影響是明顯的，而且隨著水汽溫度的提高，有機物分解加劇，對氫導的影響就更為顯著。特別是進行供熱改造后，由補給水帶入的有機物總量大幅上升，水汽氫導上升得就更大。根據(jù)GB/T 12145—2016 《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量標準》的要求，給水及蒸汽氫導均應(yīng)小于0.10 μS/cm，期望值小于0.08 μS/cm，供熱后給水氫導平均值已達到并部分超過期望值，接近標準值，而主蒸汽則全面超過期望值，多數(shù)時間段超過標準值。

表3 供熱前后機組水汽氫導的變化 μS/cm

從#3鍋爐補給水的有機物含量看，平均僅達到45.3 μg/kg，遠小于200 μg/kg的標準?？梢?，對于供熱機組而言，補給水TOC≤200 μg/kg的標準顯然無法滿足水汽品質(zhì)的要求，需要根據(jù)補給水量加以調(diào)整。

6 結(jié)束語

以上的分析顯示，供熱機組因為補水量的大幅度增加，有機物對水汽品質(zhì)具有明顯的負面影響，部分指標已超出國標要求，必須加以重視。

對供熱機組而言，補給水TOC≤200 μg/kg的標準顯然無法滿足水汽品質(zhì)的要求，應(yīng)根據(jù)補給水量對控制標準進行調(diào)整，以保障水汽品質(zhì)，降低有機物的影響。

補給水處理系統(tǒng)中，對有機物的去除主要發(fā)生在反滲透裝置。但在去除有機物的同時，有機物對反滲透膜具有污染作用，反滲透膜的有機污染是由有機物在膜表面的吸附而形成的，其不僅會導致反滲透膜水通量的快速、大幅降低,而且被有機物污染后的膜很難被清洗干凈，幾乎不可逆。為保證在去除有機物的同時，防止反滲透膜的污染，首先要選擇抗污染能力較強的反滲透膜，同時必須加強反滲透設(shè)備的運行管理，包括進水預(yù)處理、操作條件優(yōu)化、添加阻垢劑、清洗等。

活性炭過濾器和保安過濾器對去除有機物有較明顯的作用。在供熱機組的補給水處理系統(tǒng)設(shè)計中要考慮安裝該裝置，以減輕反滲透裝置的運行壓力。由于反滲透裝置對有機物的去除效率可達到90%以上，在條件允許的情況下，安裝二級反滲透系統(tǒng)可以有效降低有機物含量，提高水汽品質(zhì)。

在電廠運行過程中，經(jīng)常遇到反滲透裝置前置過濾器的濾膜壓差上升過快，污堵非常嚴重的問題，造成電廠更換前置過濾器濾膜非常頻繁，主要原因是原水中有機物含量非常高(澄清池中長青苔)，原水的預(yù)處理過程中殺菌劑添加量不足，應(yīng)適當增加預(yù)處理的殺菌劑劑量。

[1]杜秀英, 殷興軍. 有機污染物綜合指標(一)[J].環(huán)境化學,1986(2):83-86.

[2]火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量:GB/T 12145—2016[S].

(本文責編：齊琳)

2016-12-19；

2017-01-23

TM 621.8

B

1674-1951(2017)03-0005-04

王國蓉(1972—)，女，安徽蕪湖人，高級工程師，從事電廠化學監(jiān)督技術(shù)管理方面的工作(E-mail:guorong_wang@chd.com.cn)。