燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組水處理工藝的選擇

丁建軍，李 杰，張釗宇（廣東粵電新會發(fā)電有限公司，廣東 江門 529149）

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組水處理工藝的選擇

丁建軍，李 杰，張釗宇
（廣東粵電新會發(fā)電有限公司，廣東 江門 529149）

基于供熱機組耗水量大的特點，提出了3種常用的水處理工藝。由于反滲透濃水無法回收利用，導致膜法工藝耗水量偏大，離子交換法耗水量最少，制水成本也最低，但再生操作量極大，且環(huán)保壓力不容小覷。燃機電廠定員相對較少，勢必要求運行人員達到全能值班員的要求，全膜法水處理工藝自動化程度高，日常操作量少，設(shè)備穩(wěn)定可靠，屬于環(huán)境友好型技術(shù)，是燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組水處理工藝的首選。

水處理；反滲透；全膜法；供熱

0 引言

某工程擬安裝建設(shè)2×460 MW級改進型（F級改進型） 燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，機島采用哈爾濱電氣股份有限公司的GE 9FB.03型燃氣輪機，余熱鍋爐采用東方日立鍋爐有限公司的三壓、再熱、自然循環(huán)、無補燃、臥式余熱鍋爐。在以熱定電、熱電聯(lián)產(chǎn)的熱電廠中，主要的任務是對外供出大量的蒸汽，因此相對純凝式發(fā)電廠來說，需要更多的鍋爐補給水來維持熱力系統(tǒng)正常的水汽循環(huán)以及補充對外的供熱損失。本文以該工程為例，結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)機組耗水量大的特點，對當前電廠常用的3種鍋爐補給水處理工藝[1-2]進行經(jīng)濟技術(shù)比較，探索最優(yōu)的除鹽工藝。

根據(jù)工程熱力系統(tǒng)參數(shù)，除鹽水水質(zhì)按照《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB/T 12145—2016）的規(guī)定執(zhí)行。

除鹽水箱進水電導率（25℃）：≤0.2 μS/cm；

二氧化硅：≤20 μg/L；

總有機碳TOC（totalorganiccarbon）：≤400 μg/L。

1 補給水處理系統(tǒng)方案

補給水處理系統(tǒng)有兩個水源，靠近廠址的河水和附近的水庫水。豐水期采用河水作為水源，枯水期為避開海水倒灌的影響，該時段采用水庫水作為水源。綜合水源水質(zhì)、補給水水質(zhì)要求、投資及制水成本等因素的考慮，提出3個鍋爐補給水處理系統(tǒng)方案。

方案1：離子交換法——陽床+陰床+混床。方案2：半膜法——超濾+一級反滲透+一級除鹽+混床。

方案3：全膜法——超濾+一級反滲透+二級反滲透+電滲析。

1.1 方案1工藝系統(tǒng)

離子交換法工藝系統(tǒng)流程如下。

生水箱→生水泵→活性炭過濾器→前置氫床→陽床→除碳器→中間水箱→中間水泵→弱堿陰床→強陰床→混床→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。

1.2 方案2工藝系統(tǒng)

半膜法工藝系統(tǒng)流程如下。

生水箱→超濾給水泵→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾產(chǎn)水箱→清水泵→保安過濾器→反滲透高壓泵→反滲透裝置→反滲透產(chǎn)水箱→淡水泵→陽床→陰床→混床→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。

1.3 方案3工藝系統(tǒng)

全膜法工藝系統(tǒng)流程如下。

生水箱→超濾給水泵→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾產(chǎn)水箱→一級反滲透給水泵→保安過濾器→一級反滲透高壓泵→一級反滲透→一級反滲透產(chǎn)水箱→二級反滲透給水泵→保安過濾器→二級反滲透高壓泵→二級反滲透→二級反滲透產(chǎn)水箱→電滲析升壓泵→電滲析裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。

1.4 方案比較

方案1采用的是常規(guī)離子交換技術(shù)除鹽工藝，我國自20世紀50年代以來開始生產(chǎn)和應用離子交換樹脂，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，國內(nèi)常規(guī)離子交換樹脂的制造和應用技術(shù)已經(jīng)較為成熟[3]。方案2為近些年被廣泛應用的膜處理和離子交換相結(jié)合的技術(shù)方案，方案3為全膜法。方案2和方案3的主要區(qū)別是一級反滲透之后的設(shè)備選擇。

2 水汽損失及耗水量比較

2.1 水汽損失

由于熱電聯(lián)產(chǎn)機組對外供用較大蒸汽量，且工質(zhì)不具備回收再利用的可能性，除鹽水補水量較大，2×460 MW機組正常運行時各項水汽損失如表1所示。

表1 電廠水汽損失 t/h

2.2 耗水量比較

鍋爐補給水處理系統(tǒng)各方案設(shè)計時均考慮盡量提高系統(tǒng)總的回收率，以減少耗水量和排水量。根據(jù)表 1，各方案最終出力按照 350 t/h設(shè)計，各裝置回收率按照如下計算，反推各方案需要的生水量。超濾 UF（ultra filtration） 裝置回收率95%；一級反滲透1RO（reverse osmosis） 裝置回收率80%；二級反滲透2RO裝置回收率90%；電滲析EDI（electronic data interchange） 裝置回收率95%。

離子法工藝生水含鹽量高，離子交換器的運行周期較短，再生頻率就高，除鹽水系統(tǒng)的自用水率也高。參照文獻 [4]中的計算，針對本工程兩種水源的水質(zhì)情況，活性炭過濾器反洗和離子交換樹脂再生用水量按5%計算，故需要的生水量為368 t/h。

半膜法工藝生水經(jīng)超濾裝置后，膠體、顆粒和分子量較大的物質(zhì)等都已被除去，一級反滲透對NaCl、MgCl2和CaCl2等無機鹽的脫除率在95%以上，故進入陽床的水質(zhì)得到顯著改善，提高了離子交換器的制水量及運行周期，降低了再生用水量，自用水率按1.5%計算，半膜法共需要的生水量為468 t/h。由于超濾和反滲透裝置用于反洗和定期化學清洗耗水量很少，可忽略不計，而一級反滲透濃水由于離子含量太高，只可作為機組冷卻塔補充水或用作廁所沖洗水。水量平衡如下。

生水箱（468 t/h） →超濾裝置（444 t/h） →超濾水箱（444 t/h） →一級反滲透（355 t/h） →一級反滲透產(chǎn)水箱（355 t/h） →陽床→陰床→混床（350 t/h）→除鹽水箱

全膜法工藝主要水耗有超濾裝置的反洗水排放，反滲透的濃水排放，EDI裝置的濃水和極水排放等[5]。本方案有兩級反滲透，由于二級RO排放的濃水水質(zhì)（41 t/h） 要優(yōu)于原水，可回收至超濾水箱循環(huán)利用，EDI裝置產(chǎn)生的濃水（18 t/h）回收至一級反滲透水箱。由于各膜裝置用于反洗和定期化學清洗耗水量以及EDI的極水排放量很少，可忽略不計。全膜法工藝主要的水耗為一級反滲透濃水的排放和超濾膜的反洗排放水。水量平衡如下。

生水箱（472 t/h）→超濾裝置（448 t/h）→超濾水箱（448+41=489 t/h）→一級反滲透（391 t/h）→一級反滲透產(chǎn)水箱（391+18=409 t/h）→二級反滲透（368 t/h） →二級反滲透產(chǎn)水箱（368 t/h）→EDI裝置（350 t/h）→除鹽水箱

表2 各方案耗水量指標及廢水量對比表

從表2可以看出，離子交換法總廢水量最少，自用水率也最低。半膜法和全膜法需要的生水量基本持平，雖然全膜法一級反滲透濃水排放稍多于半膜法，但后者需加上樹脂再生產(chǎn)排放的酸堿廢水量，兩種水處理工藝所產(chǎn)生的總廢水基本一致。酸堿廢水的處理相較于反滲透濃水的處理要復雜許多。

3 3個方案技術(shù)經(jīng)濟比較

3.1 靜態(tài)投資及制水成本估算

表3中取水費按水庫水2.0元/t，河水取水費忽略；電費：0.6元/（kW·h）；折舊年限：25年，殘值5%；年運行小時數(shù)5 600小時。從表3可以看出，離子交換法的初始投資最少，全膜法工藝投資最大，由于半膜法比離子法增加了反滲透處理單元，將不可避免地提高了靜態(tài)投資，而其建筑安裝費用較大，所以總投資接近全膜法。

表3 投資及制水成本估算對比 萬元

各方案的運行成本由設(shè)備折舊、人工工資、水耗、電耗、元件更換、藥劑消耗、檢修維護等方面組成，從最終結(jié)果看，離子法制水成本最低，經(jīng)濟性最好。膜法工藝制水成本高是主要由于反滲透濃水的排放量較大，故取水費比離子法高，高壓泵及EDI裝置功率大，耗電較高。另外，雖然離子法需要消耗大量的酸堿，但反滲透膜和EDI模塊的更換費用還是比酸堿費用多。

3.2 技術(shù)性能

3.2.1 方案1特點

a)系統(tǒng)為傳統(tǒng)處理工藝，技術(shù)成熟可靠，但出水水質(zhì)受原水水質(zhì)的影響存在周期性波動，對TOC的去除率相對較低。

b)運行方式靈活，可根據(jù)實際除鹽水需求量自行調(diào)整過濾器、離子交換設(shè)備的運行列數(shù)。系統(tǒng)啟停方便，運行和控制簡單，操作復雜程度低。

c)離子交換設(shè)備再生周期短，平均每天有兩臺離子交換器需要再生，勞動強度高。若原水含鹽量增大，將使離子交換工藝的產(chǎn)水周期縮短，相應增加其運行成本。

d)需要消耗大量的酸堿，樹脂再生過程中產(chǎn)生大量的酸堿廢水，對周邊環(huán)境污染嚴重，卸酸、卸堿等危險操作也較為頻繁。

e)離子交換法由于需要酸堿再生所以需要酸堿儲存槽和廢水處理池，所以比膜法工藝占地面積大。

3.2.2 方案2特點

a)對于水源含鹽量低時（如水庫水），可人工提高反滲透的回收率，還可旁路掉反滲透裝置以節(jié)省運行電耗。

b)在離子交換的基礎(chǔ)上增加了超濾和反滲透裝置，在保護后續(xù)設(shè)備、減輕操作強度以及保護環(huán)境方面均要優(yōu)于方案1。

c)采用反滲透預脫鹽后，改善了離子交換系統(tǒng)的運行工況，可大大延長離子交換器的運行周期，酸堿耗量下降到方案1的十分之一左右，但無法避免酸堿的使用，也會有環(huán)境污染。

d)設(shè)備種類和數(shù)量最多，安裝工作量最大。

3.2.3 方案3特點

a)反滲透技術(shù)先進成熟，易于程控。

b)反滲透膜是通過壓力滲透的原理凈化水質(zhì)，對進水水質(zhì)適應范圍廣，出水質(zhì)量穩(wěn)定，原水含鹽量增高時對運行成本影響不大。

c)系統(tǒng)設(shè)備精簡，易實現(xiàn)自動控制，人工干預小，人工成本低，維護工作量小，增強了運行的安全性。

d)反滲透法制取除鹽水是一個物理過程，徹底擺脫了酸堿的使用，無酸堿廢水排放，特別有利于環(huán)保。

e)電滲析通過電將水電離，從而對樹脂進行再生，克服了離子交換水處理工藝不能連續(xù)工作[5]，再生時需消耗酸堿和有廢液排放的缺點。

4 結(jié)論

方案1制水成本最低，只需3.8元/t，但勞動強度較高，酸堿耗量主導了離子交換工藝的運行成本，最大弊端為本工藝產(chǎn)生大量的廢液排放，存在安全隱患。

方案2運行方式雖然比較靈活，能適應水質(zhì)的變化引起的影響，酸堿耗量相對較少，但仍產(chǎn)生再生酸堿廢水，對運行人員的技能要求較高，需要掌握兩種制水工藝的特點，且現(xiàn)場安裝工作量最大。

方案3中水耗、電耗成本所占比重較大，但其勞動強度最低，藥品消耗量最少，且日常檢修和維護工作量少，環(huán)保性能最佳。

若原水含鹽量較高，單一的離子交換工藝遠不能滿足節(jié)省占地和降低酸堿消耗的要求。全膜法雖然制水成本稍高于半膜法，但因其出水質(zhì)量高、可連續(xù)生產(chǎn)、無需酸堿、勞動強度低，并能滿足供熱機組補水率高，補水水質(zhì)要求高，補水負荷變化大等特點?？紤]到本工程設(shè)計參數(shù)相對較高，對外供熱量大，配置的生產(chǎn)人員相對較少，因此選擇補給水處理工藝不僅要安全可靠，還要自動化程度高和技術(shù)先進。本文推薦方案3，即超濾、兩級反滲透加電滲析的全膜法制水工藝。

[1]周本省.工業(yè)水處理技術(shù) [M].北京：化學工業(yè)出版社，2002：311-417.

[2]周柏青.全膜法水處理技術(shù) [M].北京：中國電力出版社，2006：8-294.

[3]黃艷，章志昕，韓倩倩，等.國內(nèi)離子交換樹脂生產(chǎn)及應用現(xiàn)狀與前景 [J].凈水技術(shù)，2010，29(5)：11-16.

[4]李學志，張晨霞，劉強.離子交換除鹽系統(tǒng)自用水率計算方法 [J].工業(yè)用水與廢水，2007，38(6)：60-62.

[5]李桂蘭，陳海霞，張守德，等.全膜法水處理技術(shù)制備火力發(fā)電廠鍋爐補給水的應用 [J].工業(yè)水處理，2013，33(3)：81-84.

Selection for Water Treatment Process in Gas-steam Combined Cycle Unit

DING Jianjun,LI Jie,ZHANG Zhaoyu
（Guangdong Yudean Xinhui Generation Co.,Ltd.,Jiangmen,Guangdong 529149,China）

Based on the characteristics of large water consumption of gas-steam combined cycle thermal power plant,three common water treatment processes are proposed in this paper.Since the reverse osmosis concentrated water can't be recycled,water consumption of membrane method is large.Even though ion exchange is the method consuming least water with the lowest water production cost,the regeneration operation quantity of this method is quite large and the environmental protection pressure can't be underestimated.Since the staff quota in gas turbine power plant is relatively less so that the operators are required to be all-around attendant.Integrated membrane systemis highly automatically and environment friendly,which is the best solution for water treatment process in gas-steamcombined cycle unit.

water treatment;reverse osmosis;integrated membrane system;thermal power supply

TK223.5

B

1671-0320（2017）03-0069-04

2016-12-09，

2017-04-10

丁建軍（1986），男，山東日照人，2011年畢業(yè)于中國石油大學（北京）應用化學專業(yè)，碩士，工程師，從事電廠運行及管理工作；

李 杰（1981）男，湖南宜章人，2004年畢業(yè)于長沙理工大學熱能與動力工程專業(yè)，工程師，從事電廠運行及管理工作；

張釗宇（1993）男，廣東廣州人，2015年畢業(yè)于中山大學熱能與動力工程專業(yè)，助理工程師，從事電廠運行及管理工作。