交變電磁場在發(fā)電廠冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)和分析

山西陽光發(fā)電有限責(zé)任公司 楊曉寧 付書明

山西陽光熱電廠安裝4臺320MW 發(fā)電機組，每臺機有獨立的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，雙循環(huán)泵與凝汽器設(shè)置在汽輪機房內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計循環(huán)流量約20000～35000m3/h。循環(huán)水系統(tǒng)為開式循環(huán)系統(tǒng)，補水為水庫水、市政中水、地下水等多種水源。循環(huán)水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的化學(xué)阻垢緩蝕劑、藥劑，保證系統(tǒng)在無垢、低腐蝕狀態(tài)下運行。因水質(zhì)條件的限制，循環(huán)水濃縮倍數(shù)大多維持在4倍左右。隨著國家對工業(yè)廢水零排放要求的逐步落實，冷卻水系統(tǒng)需要在滿足除垢、防垢的同時，盡可能地提高濃縮倍數(shù)、減少補水和排水，確保生產(chǎn)換熱效率維持穩(wěn)定且不能降低，這成為了各企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

1 技改方案實施

發(fā)電機組的冷卻循環(huán)水是廠區(qū)的主要用水系統(tǒng)。為提高機組運行效率和貫徹節(jié)能減排、實現(xiàn)零排放的要求，采用物理技術(shù)替代原有化學(xué)法，對廠區(qū)的1號發(fā)電機組冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行物理技術(shù)超低排放技術(shù)改造和試驗。2020年8月初，在循環(huán)水泵出口支管上安裝了兩套電磁水處理設(shè)備，在輔機循環(huán)水進(jìn)水管道上安裝了三套電磁水處理設(shè)備。通過人工智能監(jiān)控系統(tǒng)，在電廠集控中心對電磁水處理設(shè)備的工作狀態(tài)和主要技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行實時監(jiān)控。交變電磁場技術(shù)通過電磁感應(yīng)原理，可以改變水中帶電荷物質(zhì)的運動方式，從而在冷卻循環(huán)水系統(tǒng)實現(xiàn)除垢防垢、物理絮凝、滅藻殺菌、抑制腐蝕等效果。

2 發(fā)電機組冷卻循環(huán)水系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析

水質(zhì)數(shù)據(jù)：電磁場水處理設(shè)備自2020年8月安裝調(diào)試投運后，通過對水質(zhì)數(shù)據(jù)和機組運行數(shù)據(jù)的跟蹤和分析，確認(rèn)電磁場作用的效果后開始做減排操作，濃縮倍數(shù)從技改前的4倍左右提升至6倍左右。試運行的三個月中，水質(zhì)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，濃縮倍數(shù)維持在6～7倍。從圖1可看出，技改后冷卻循環(huán)水濃縮倍數(shù)明顯上升，同時水質(zhì)的硬度和堿度也相應(yīng)提升。

圖1 水質(zhì)數(shù)據(jù)變化趨勢圖

發(fā)電機組運行數(shù)據(jù)：三個月中機組連續(xù)運行，1#發(fā)電機組的各項運行參數(shù)基本穩(wěn)定，凝汽器端差和真空度維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。從圖2可看出，機組發(fā)電量基本穩(wěn)定；真空的優(yōu)化受水溫影響比較明顯，端差基本穩(wěn)定。

圖2 機組運行數(shù)據(jù)曲線圖

輔助觀察膠球等表面：借助于電子顯微鏡下觀察對比2臺凝汽器的膠球效果，1#機組和3#機組的膠球表面沒有明顯差異，也沒有硬水垢結(jié)晶表現(xiàn)。

循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕的抑制作用：現(xiàn)場1號機技改方案實施后，對循環(huán)水中鐵離子濃度進(jìn)行跟蹤檢測和分析（圖3）。技改后的初期，因系統(tǒng)內(nèi)有微量的水垢（一般為混合垢），除垢階段導(dǎo)致一定的鐵離子析出于水中，鐵離子濃度明顯增加。除垢結(jié)束后鐵離子濃度明顯下降。隨著水質(zhì)濃度的增加，循環(huán)水體中鐵離子的含量趨于穩(wěn)定，說明高頻電磁場對冷卻循環(huán)水系統(tǒng)有抑制腐蝕的效果。

圖3 鐵離子濃度變化趨勢圖

3 技術(shù)原理

3.1 防止換熱器內(nèi)部生成新的硬水垢

換熱器內(nèi)的水垢生成是一個復(fù)雜的結(jié)晶過程，水中致垢的主要物質(zhì)是由鈣和鎂結(jié)晶形成的碳酸鹽與硫酸鹽，隨著溫度的升高其溶解度降低[1]，一部分鈣、鎂結(jié)晶物質(zhì)析出沉淀下來，附著在管道或換熱壁上逐漸長大，成為附著力很強的晶體硬垢，主要成分是緊密的方解石晶格（中級晶族，三方晶系，晶格點群L33L23PC），電鏡下的結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 方解石晶格的碳酸鈣

電磁水處理設(shè)備安裝在管道的合適位置上，設(shè)備產(chǎn)生的高頻電磁場在進(jìn)入管道的過程中，由于金屬管道趨膚效應(yīng)的影響，只有部分的交變磁場作用于流動的水體，感應(yīng)出交變電流，高頻極化電流使電介質(zhì)反復(fù)極化，促進(jìn)正負(fù)離子或顆粒的相互碰撞，誘導(dǎo)形成更多數(shù)量的“離子締合體”，就是我們所說的晶核。當(dāng)換熱器內(nèi)部水溫上升時，過飽和的碳酸鈣離子團(tuán)在晶核周圍抱團(tuán)，生成松軟的文石晶格碳酸鈣（低級晶族、正交晶系，晶格點群3L23PC）[2]，電鏡下的結(jié)構(gòu)圖見圖5。這種晶體結(jié)構(gòu)不易附著在管道或換熱器的表面，從而阻止了硬水垢的生成。結(jié)晶物隨水流出，通過旁濾系統(tǒng)或排污口排出，或在流速較慢的水池里沉淀下來，從而保證管道及換熱器內(nèi)壁無硬水垢附著。

圖5 文石晶格的碳酸鈣

3.2 去除冷卻水系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)結(jié)成的老垢

在阻止方解石碳酸鈣硬水垢生長的同時，高頻電磁場還可清除原有的老垢。傳統(tǒng)去除老垢的做法是采用化學(xué)酸洗，由于化學(xué)清洗不容易控制，容易造成對金屬容器的腐蝕或出現(xiàn)清洗不徹底的狀況。選擇物理除垢是對循環(huán)系統(tǒng)傷害最小、卻又最徹底的方式，只是需要較長時間。在高頻電磁場的作用下大水分子團(tuán)破裂，自由化的水分子提高了水體的溶解度。同時，方解石晶格的老垢在磁場中獲得足夠的能量后變得不規(guī)則，有向文石轉(zhuǎn)化的趨勢，隨著水體中的碳酸鹽與硫酸鹽的析出，硬垢轉(zhuǎn)化成軟垢隨排污排走。利用誘導(dǎo)結(jié)晶造粒實現(xiàn)冷卻水的除垢、防垢，提高冷卻水的濃縮倍數(shù)，進(jìn)而幫助實現(xiàn)全廠廢水零排放。

3.3 抑制腐蝕

循環(huán)水系統(tǒng)中的設(shè)備和管道的腐蝕機理較為復(fù)雜，一般通過投加化學(xué)緩蝕藥劑對金屬面進(jìn)行覆膜保護(hù)，或采用陽極保護(hù)來控制腐蝕的發(fā)生。而在高頻電磁場的作用下，渦旋磁場感應(yīng)產(chǎn)生交變電場，散布在整個管道系統(tǒng)內(nèi)的水體里，管壁、設(shè)備壁表面無法形成陰極區(qū)和陽極區(qū)，分別抑制了陽極過程和陰極過程[3]，達(dá)到了緩蝕的作用。見圖6，圖7。

圖6 誘導(dǎo)同軸磁場

圖7 擴散力被抑制

綜上，在陽光熱電廠1號發(fā)電機組冷卻水系統(tǒng)采用高頻電磁場技術(shù)運行期間，對于循環(huán)水系統(tǒng)提高了濃縮倍數(shù)，減少補水和排水，同時機組運行穩(wěn)定。另外，借助于PBPD 極化勢壘偏微分的人工智能運維系統(tǒng)，實時反饋高頻電磁場技術(shù)系統(tǒng)的運行工況，進(jìn)而完成機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)庫積累，通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控手段使得系統(tǒng)運行更加安全可靠，有效保證了該系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行。后續(xù)本次試驗的設(shè)備硬件和軟件程序都將會升級到“MIA 映射積分豐度”能量閾值運維監(jiān)控系統(tǒng)，通過機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)庫的更加豐富、迭代算法持續(xù)優(yōu)化，人工智能介入會更加穩(wěn)定，冷卻水系統(tǒng)的運行也會更加安全可靠。