移動電極技術(shù)在改造項目中的運用

文 _ 黃鐵軍 陳渝飛 葉培祥 四川省華鎣山廣能集團四方電力公司

循環(huán)冷卻水是瓦斯電站用水量的主要組成部分，循環(huán)水品質(zhì)好壞，關(guān)系到熱交換器銅管的結(jié)垢、腐蝕問題。在運行過程中，隨著循環(huán)冷卻水的濃縮倍率升高，水中易產(chǎn)生結(jié)垢或腐蝕的離子（Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-等），含量也隨之增大，加速熱交換器銅管的結(jié)垢、管道腐蝕，嚴重影響機組的安全經(jīng)濟運行。在循環(huán)水進入冷卻塔冷卻時，空氣與水充分接觸時，空氣中的細菌孢子、植物絨毛等進入循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻塔周圍適宜的溫度與濕度適合細菌、藻類的生長，同時濃縮后的循環(huán)水中含有豐富的營養(yǎng)源，導(dǎo)致細菌、藻類大量繁殖，產(chǎn)生生物粘泥，促使水質(zhì)惡化。因此循環(huán)冷卻水的防結(jié)垢、防腐蝕及殺菌滅藻處理至關(guān)重要。

1研究思路

1.1循環(huán)冷卻水系統(tǒng)發(fā)生結(jié)垢原因分析

循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢是指水中溶解或懸浮的各種鹽類如碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽、氯化物等，其中以Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2最不穩(wěn)定，極易分解生成不溶于水的CaCO3、MgCO3沉積在金屬表面。在瓦斯電站運行過程中，循環(huán)冷卻水經(jīng)過高、低溫?zé)峤粨Q器和機油冷卻器時，進行熱交換后溫度升高，通過冷卻塔蒸發(fā)、冷卻而循環(huán)使用，當濃縮倍率到一定值時再進行排放。這樣，因為循環(huán)水不斷濃縮，CaCO3、MgCO3含量增大，逐漸沉積在熱交換器銅管、管道等內(nèi)壁而結(jié)垢，引起熱交換器的換熱效率下降，管道阻力增大，甚至造成銅管內(nèi)循環(huán)水量減少加劇結(jié)垢而堵塞。

1.2高溫?zé)峤粨Q器換熱效率低的原因分析

龍灘瓦斯電站發(fā)電機組生產(chǎn)廠家采用串聯(lián)的方式將低溫?zé)峤粨Q器、機油冷卻器、高溫?zé)峤粨Q器連接在一起，如圖1所示。由于進入高溫?zé)峤粨Q器的循環(huán)冷卻水已對低溫軟水及機油進行冷卻，溫度已大幅升高，導(dǎo)致高溫?zé)峤粨Q器的熱交換能力大幅下降，當循環(huán)水溫升高，高溫交換器銅管內(nèi)壁最容易結(jié)垢，并且結(jié)垢速度快、垢層厚，造成高溫出水溫度超出規(guī)定溫度值，嚴重影響熱交換，導(dǎo)致瓦斯發(fā)電機組高溫水超標，運行人員被迫采取降負荷的方式運行，機組實際功率低于額定功率的50%運行，造成瓦斯發(fā)電效率降低。

圖1 原熱交換系統(tǒng)布局示意圖

1.3循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕的原因

循環(huán)冷卻水中的金屬腐蝕是指金屬損壞或失去金屬應(yīng)有的使用性能，最明顯的是從金屬原有狀態(tài)專變?yōu)殡x子或化合物。

1.3.1溶解氧腐蝕引起的腐蝕

在循環(huán)水運行過程中，因濃縮倍率提高，水中溶解氧含量增大，與管道金屬物質(zhì)Fe產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成Fe2+，與水中的氧進一步反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)疏松的Fe(OH)3，就造成管道腐蝕。其反應(yīng)方程式為：

這種腐蝕生成的Fe(OH)2與Fe(OH)3會逐漸堆積、擴散，并再次反應(yīng)生成Fe3O4：

Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4↓4H2O

Fe3O4沉淀與水中的泥垢、沙粒等沉積附著在管道內(nèi)壁。當腐蝕到一定程度時，腐蝕產(chǎn)物與泥垢等一起脫落，堵塞熱交換器、冷油器等設(shè)備的管徑小的部位，危及設(shè)備運行安全。

1.3.2氯離子引起的腐蝕

氯離子造成的腐蝕一般發(fā)生在孔蝕或縫隙腐蝕中。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常采用游離氯或化合氯殺菌，循環(huán)水中的氯離子含量較高，而且采用在這種情況下，金屬在蝕孔或縫隙內(nèi)腐蝕溶解產(chǎn)生Fe2+，引起腐蝕點周圍產(chǎn)生過量的正電荷，吸引水中的氯離子遷移到腐蝕點周圍以維持電中性，因此腐蝕點周圍會產(chǎn)生高濃度的金屬氯化物FeCl2，之后水解生成不溶性的金屬氫氧化物和可溶性的鹽酸，其反應(yīng)如下：

1.3.3微生物引起的腐蝕

由于微生物排出的黏液與無機垢和泥沙等形成的沉淀附著在金屬表面，形成氧的濃差電池，促使金屬腐蝕。在金屬表面沉積物之間缺乏氧，一些厭氧菌（主要是硫酸鹽還原菌）得以繁殖，當溫度為25～30℃時，繁殖更快。這些厭氧菌分解水中的硫酸鹽，產(chǎn)生H2S，引起碳鋼腐蝕，反應(yīng)如下：

1.4除垢方式的弊端

在沒有采取循環(huán)水緩蝕阻垢處理的情況下，高、低溫?zé)峤粨Q器、機油冷卻器的銅管內(nèi)壁結(jié)垢速度較快，尤其是高溫?zé)峤粨Q器由于設(shè)備內(nèi)溫度、水溫更高，結(jié)垢速度更快，結(jié)垢厚度更厚，造成機組無法正常運行而停機進行除垢。除垢方式采用將圖1中的循環(huán)水管道閥門關(guān)閉，將稀釋后的鹽酸注入各熱交換器內(nèi)浸泡銅管內(nèi)壁，到一定時間后，打開設(shè)備排去酸液，然后人工用電鉆（鉆桿自制加長）清理銅管內(nèi)積垢。這種除垢方式每年基本要進行三次，不僅工作量大、時間長，除垢效率低、質(zhì)量差，還存在電鉆傷人等安全隱患。

2循環(huán)冷卻水緩蝕阻垢及殺菌原理分析

2.1阻垢機理分析

緩蝕阻垢劑采用有機膦酸鹽、膦羧酸等，有機膦可以和Ca2+、Mg2+生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，相對降低循環(huán)水中的Ca2+、Mg2+濃度，降低水中析出CaCO3等沉淀，此作用稱為“絡(luò)合增容”。此外還可以使形成的CaCO3晶體中的Ca2+在晶體相互碰撞過程中發(fā)生作用，使得CaCO3晶體難于按嚴格的晶格排列次序排列，智能保持在小顆粒范圍內(nèi)，相應(yīng)提高了CaCO3晶體在水中的溶解性能，減少CaCO3垢層增長。

緩蝕阻垢劑除了絡(luò)合增容作用外，有機膦還對垢層的晶格排序起干擾作用。按照結(jié)垢正常情況，垢層是CaCO3晶體按一定方向具有嚴格次序排列的硬垢。由于阻垢劑對Ca2+的鰲合性能，干擾CaCO3晶體結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的畸變，而不再繼續(xù)規(guī)格增長。即由于晶格畸變產(chǎn)生一些較大的無定型顆粒，從而使CaCO3硬垢轉(zhuǎn)化為松軟垢，這種軟垢結(jié)合力差，易被水沖刷和分散。

2.2緩蝕機理分析

緩蝕阻垢劑中有機膦等在管道金屬表面形成不溶于水或難溶于水的保護膜，阻礙金屬離子的水合反應(yīng)或溶解氧的還原反應(yīng)，有效地控制和降低金屬腐蝕情況。

2.3殺菌機理分析

強氧化性殺菌劑的殺菌機理是ClO2通過活化，在酸性物質(zhì)（H+離子）的作用下，釋放出游離態(tài)ClO2，游離態(tài)ClO2不穩(wěn)定釋放出新生態(tài)氧原子（O），新生態(tài)氧原子具有強烈的氧化作用，其通過氧化微生物、細菌細胞中可溶部分（包括酶系統(tǒng)），而達到快速抑制微生物蛋白質(zhì)的合成，殺滅微生物、細菌的目的。

非氧化性殺菌劑的殺菌機理是使微生物、細菌的蛋白質(zhì)變性，降低其細胞活性，促使微生物、細菌死亡。殺菌劑活性成分能夠穿透微生物、細菌的細胞壁進入細胞內(nèi)部并與細胞的核酸（RNA、DNA）上的堿基結(jié)合，從而抑制或徹底殺死微生物、細菌。

3實施方案

由于殺菌劑對不同藥劑的阻垢分散效果有不同的影響，強氧化性殺菌劑對多數(shù)藥劑的阻磷酸鈣有增效作用，非氧化性殺菌劑對不同類型藥劑的影響視藥劑類型而定，有增效作用，也有對抗作用。所以龍灘瓦斯發(fā)電站投加緩蝕阻垢劑的同時，采用強氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑交替投加的方案進行循環(huán)水緩蝕阻垢劑殺菌滅藻處理。

3.1緩蝕阻垢劑的運行與控制

(1) 在機組初始運行時系統(tǒng)重新注水情況下投藥，第一次向循環(huán)水池沖擊投加緩蝕阻垢劑60mg/L，如初次投加后系統(tǒng)仍為冷態(tài)運行（不帶熱負荷），則應(yīng)保持藥劑濃度為40mg/L(即控制水中有機膦含量為3mg/L以上)運行，在系統(tǒng)帶熱負荷且濃縮倍數(shù)達到1.5以后藥劑投加按日常投加方式進行。

(2) 日常投加（kg/d）：

此投加量為理論計算值，具體投加量要實際運行參數(shù)及現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)定。

(3) 在加藥箱內(nèi)加入一天所需藥劑量，再加水稀釋，用閥門調(diào)節(jié)流量，使藥劑在22～24h內(nèi)連續(xù)不斷地加入到循環(huán)水池中。

(4) 根據(jù)循環(huán)水中磷酸鹽的分析值適當增減加藥量，使磷酸鹽保持在2～3mg/L范圍內(nèi)。如磷酸鹽低于2mg/L，則在循環(huán)水池中沖擊補加藥劑，每低1mg/L,補加5kg。

(5) 當循環(huán)水鈣離子大于450mg/L，堿度大于450mg/L或濁度大于20mg/L應(yīng)適當加大排污。

(6) 當pH值大于8.9時應(yīng)適當加大排污，當pH值低于7.6時應(yīng)及時查找原因并采取措施(如投加碳酸鈉等)盡快使pH值恢復(fù)到控制指標范圍內(nèi)。

(7) 嚴格按運行分析控制項目及頻率(表1)監(jiān)測循環(huán)冷卻水中各項控制指標，并調(diào)節(jié)達到各項控制范圍。

表1 循環(huán)冷卻水控制指標

3.2微生物的控制與監(jiān)測

3.2.1控制方案

根據(jù)微生物的監(jiān)測數(shù)據(jù)或者COD值確定加藥周期，一般每周投加一次，使用強氧化性殺菌劑一次后，換用非氧化性殺菌劑一次，消除因長期使用一種殺菌劑所造成的抗藥性，即采用每周沖擊式投加強氧化性殺菌劑一次，加入量為100mg/l，加兩次后，投加非氧化性殺菌劑一次，加入量為100mg/l。然后強化氧化性殺菌劑與非氧化性殺菌劑每周一次交替投加。

3.2.2殺菌劑的投加量

投加量（kg）=保有水量（m3）×加藥濃度（mg/L）×10-3

3.2.3 投加時間

投加非氧化性殺菌劑前，可將系統(tǒng)預(yù)先排污以便投加后推遲排污，投加后應(yīng)不排污并盡量不補水至少12～24h，以提高殺菌效果。

3.2.4 監(jiān)控指標

微生物控制指標及監(jiān)測頻率（表2）。

表2 微生物控制指標及監(jiān)測頻率

3.3 熱交換系統(tǒng)布局改造

將原有熱交換系統(tǒng)與循環(huán)冷卻水的串聯(lián)方式改進為并聯(lián)方式，如圖2所示。

圖2 改進后的熱交換器系統(tǒng)布局示意圖

將熱交換器系統(tǒng)改為并聯(lián)后，各設(shè)備的循環(huán)冷卻水進水溫度均較低，尤其是高溫?zé)峤粨Q器因冷卻水溫度低而結(jié)垢速度降低，加上緩蝕阻垢劑的作用，所結(jié)垢為松軟垢，基本被循環(huán)水沖刷帶走，換熱效率提高。

4實施效果

4.1緩蝕阻垢劑使用效果

龍灘瓦斯發(fā)電站自2013年按照以上方案控制，規(guī)范使用緩蝕阻垢劑，在系統(tǒng)正常運行狀況下，實際測得如下使用效果：①碳鋼的腐蝕率小于0.075mm/a（以掛片監(jiān)測為準）；②污垢沉積速率：小于15mcm；

③污垢熱阻：1.72～3.44×10-4m2·k/W；

④微生物控制(需加殺菌劑控制)：異養(yǎng)菌小于1×105個/ml，生物粘泥小于4ml/m3，硫酸鹽還原菌小于50個/ml。

4.2 降低人工勞動強度及安全危害

通過緩蝕阻垢劑使用效果與實際瓦斯電站循環(huán)冷卻水緩蝕阻垢技術(shù)實際應(yīng)用情況綜合得出，該方案有效抑制了熱交換器銅管內(nèi)壁結(jié)垢速度，不再形成難以清除的硬度較高的致密水垢，而是形成軟松垢，易被循環(huán)水沖刷、分散并帶走。而且清垢方式采用高壓水槍進行沖洗清除，極大的降低了人工清除熱交換器銅管垢層的工作量，杜絕了人工清垢時電鉆傷人的安全危害。

4.3 瓦斯發(fā)電機組的利用率

通過上述方案的實施，龍灘瓦斯電站熱交換器銅管結(jié)垢問題得到有效解決，使得停機處理熱交換器積垢清除頻率延長3倍以上，增加瓦斯發(fā)電機組連續(xù)穩(wěn)定運行時間，提高瓦斯發(fā)電機組利用率，同時減少因檢修設(shè)備或機組停運導(dǎo)致瓦斯外排帶來的環(huán)境污染。

并且循環(huán)冷卻水通過緩蝕阻垢處理后，可將其濃縮倍率提高到3～3.5（原來濃縮倍數(shù)為1.5左右），有效延長排污周期，減少循環(huán)水補充量，降低水資源消耗。

5 結(jié)束語

通過對廣能集團龍灘瓦斯發(fā)電站循環(huán)水緩蝕阻垢劑殺菌的分析及實施處理，使用緩蝕阻垢劑后具有相當好的緩蝕效果，同時水解率低、性能穩(wěn)定、耐高溫性好。同時對瓦斯發(fā)電機組冷卻器布局進行改造，提高瓦斯發(fā)電機組利用率，減少瓦斯外排帶來的環(huán)境污染。