海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)阻垢劑投加方案研究及應(yīng)用

丁　玉，張文帥，王印忠，王維珍，尹建華

（1.天津國投津能發(fā)電有限公司，天津300480；2.國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津300192）

海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)阻垢劑投加方案研究及應(yīng)用

丁玉1，張文帥1，王印忠2，王維珍2，尹建華2

（1.天津國投津能發(fā)電有限公司，天津300480；2.國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津300192）

為保證10萬t級(jí)海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)SW203A阻垢劑的投加方案進(jìn)行研究，并進(jìn)行工程實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明：當(dāng)濃縮倍數(shù)為2.0時(shí)，靜態(tài)阻垢試驗(yàn)中投加14 mg/L的SW203A阻垢劑即可使懸浮物高達(dá)100 mg/L的海水不發(fā)生結(jié)垢；當(dāng)懸浮物不超過40 mg/L時(shí)，SW203A的投加量可降至8 mg/L。動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，8 mg/L的SW203A即能保證循環(huán)水的ΔA始終低于0.2。為期1年的應(yīng)用評(píng)價(jià)表明，8 mg/L的SW203A投加量能夠保證系統(tǒng)在濃縮倍數(shù)為1.5～1.8范圍內(nèi)長期安全運(yùn)行。

海水；循環(huán)冷卻系統(tǒng)；阻垢

我國沿海水資源嚴(yán)重緊缺，燃煤電廠建在工業(yè)高速發(fā)展的海灣內(nèi)及近海時(shí)若采用海水直接冷卻方式，可大幅節(jié)約淡水資源。但直流排放海水會(huì)造成環(huán)境水域的富營養(yǎng)化，破壞生態(tài)環(huán)境，因此采用環(huán)保型海水循環(huán)冷卻水處理技術(shù)是海水循環(huán)冷卻火電廠減少環(huán)境污染的重要措施之一。天津國投津能發(fā)電有限公司（簡稱“北疆電廠”）是集火力發(fā)電、海水淡化、濃海水制鹽、廢棄物綜合利用、土地節(jié)約整理“五位一體”的國家級(jí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范項(xiàng)目。其一期工程2× 1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組采用帶冷卻塔的海水循環(huán)冷卻方式，冷卻塔濃排水直接排至附近鹽場制鹽，其2×105m3/h的海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)目前為國內(nèi)最大規(guī)模。因系統(tǒng)規(guī)模大、海水水質(zhì)復(fù)雜，必須采取經(jīng)濟(jì)有效的方法，既能滿足海水二次循環(huán)冷卻水加藥處理對(duì)排水水質(zhì)及排水制鹽安全性的要求，又能解決運(yùn)行過程中出現(xiàn)的結(jié)垢、腐蝕和菌藻滋生問題。

為滿足上述要求，北疆電廠一期工程采用國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所研制的無磷、高效型阻垢劑SW203A，該阻垢劑以聚馬來酸酐為主進(jìn)行復(fù)配，易生物降解。為驗(yàn)證其阻垢效果及環(huán)境友好性，并優(yōu)化該藥劑的運(yùn)行投加方案，對(duì)SW203A阻垢劑開展了靜態(tài)阻垢試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，獲得可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)經(jīng)過1年的實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，期望為同類工程的優(yōu)化運(yùn)行提供借鑒，促進(jìn)海水循環(huán)冷卻技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用。

1　設(shè)計(jì)運(yùn)行條件

1.1循環(huán)水水源

該工程2×1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組采用帶冷卻塔的海水二次循環(huán)供水方式，其循環(huán)冷卻水水源為渤海灣海水，經(jīng)取水沉淀池沉淀后使用。

1.2電廠相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備

該海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)有2座自然通風(fēng)海水冷卻塔，分別為2套1 000 MW發(fā)電機(jī)組提供循環(huán)冷卻水，單臺(tái)冷卻水塔的總水量約為3萬～3.5萬m3，單塔淋水面積約為 12 000 m2，設(shè)計(jì)循環(huán)水量為108 720 m3/h（按夏季冷卻倍率55倍計(jì)算）。凝汽器型式為雙殼體、雙背壓、單流程表面式，凝汽器管材為鈦管，循環(huán)水運(yùn)行壓力為0.2～0.3 MPa。

1.3循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)處理方式

海水二次循環(huán)冷卻水處理采用殺菌劑與阻垢劑聯(lián)合處理方式。其中殺菌劑采用電解海水制取次氯酸鈉系統(tǒng)，設(shè)置2×10 kg/h電解海水制氯裝置，維持余氯＞0.2 mg/L，并輔助使用非氧化性殺菌劑；阻垢劑加藥系統(tǒng)配置兩箱三泵加藥裝置。

2　試驗(yàn)材料與方法

2.1試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水來自北疆電廠周邊海域近岸海水。其中靜態(tài)阻垢試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)使用2個(gè)批次的高懸浮物原海水，以模擬實(shí)際工程的水質(zhì)變化。工程應(yīng)用評(píng)價(jià)的系統(tǒng)補(bǔ)充水則為原海水經(jīng)電廠取水沉淀池沉淀后的澄清海水。原海水的水質(zhì)情況如表1所示，系統(tǒng)補(bǔ)充水及循環(huán)水的典型水質(zhì)情況如表2所示。

表1　原海水水質(zhì)

表2　系統(tǒng)補(bǔ)充水和循環(huán)水水質(zhì)

2.2試驗(yàn)儀器和檢測方法

靜態(tài)阻垢試驗(yàn)所用水浴加熱設(shè)備采用HHS-28型電熱恒溫水浴鍋（上海一恒科學(xué)儀器有限公司），溫度精度為±0.5℃。動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)采用SWD-2型海水循環(huán)冷卻動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置（天津海水淡化與綜合利用研究所），其原理如圖1所示。

圖1　動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置原理

該裝置可實(shí)現(xiàn)凝汽器的循環(huán)水進(jìn)、出口溫差為6～11℃，加熱介質(zhì)溫度為50～90℃，冷卻水出口溫度為（45±0.2）℃，換熱管內(nèi)冷卻水流速為0.6～1.5 m/s，循環(huán)水系統(tǒng)容積與循環(huán)水量之比在1/5～1/2可調(diào)。該裝置具有自動(dòng)加藥、自動(dòng)排污、遠(yuǎn)程控制等功能，可實(shí)現(xiàn)海水水處理藥劑的按比例、定時(shí)自動(dòng)投加。還可實(shí)現(xiàn)濃縮倍數(shù)的自動(dòng)穩(wěn)定控制，以及溫度、流量、pH、電導(dǎo)率、腐蝕速率、補(bǔ)水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄等。

工程應(yīng)用評(píng)價(jià)在北疆電廠海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)中進(jìn)行。試驗(yàn)采用的水質(zhì)檢測方法見表3。

表3　水質(zhì)檢測方法

2.3試驗(yàn)方法

靜態(tài)阻垢試驗(yàn)：根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)中的懸浮物變化情況，將2.1中的原海水靜沉，取靜沉后的清潔海水與未靜沉原海水配制出懸浮物分別為20、40、60、80、100、200 mg/L的6組試驗(yàn)原水，并測定各水樣的Cl-和總堿度。隨后取試驗(yàn)原水1.0 L向其中投加一定濃度的SW203A配制成試驗(yàn)水樣，同時(shí)設(shè)置空白水樣。然后根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23248—2009《海水循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)濃縮倍數(shù)的要求，將所有水樣在（80±0.5）℃的水浴中蒸發(fā)濃縮至0.5 L，取出冷卻（濃縮倍數(shù)為2.0）。最后在水樣冷卻至室溫后再次測定其Cl-和總堿度，并利用ΔA值法判定濃縮海水的結(jié)垢傾向，評(píng)價(jià)SW203A的阻垢性能。

動(dòng)態(tài)阻垢模式試驗(yàn)：利用動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置模擬電廠循環(huán)水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，方法按照HG/T 2160—2008《冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)方法》執(zhí)行，工藝參數(shù)：循環(huán)水量為1.0 m3/h（該條件下動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)容積與循環(huán)水量之比接近實(shí)際海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)），進(jìn)塔水溫為（45.0±0.2）℃，進(jìn)出水溫差＞8℃，換熱管內(nèi)流速0.61 m/s，濃縮倍數(shù)為2.0±0.2。

工程應(yīng)用評(píng)價(jià)：每天向塔下水池投加一定量的SW203A阻垢劑，同時(shí)定期檢測循環(huán)水和補(bǔ)充水的Cl-和總堿度，并利用ΔA值法判定濃縮海水的結(jié)垢傾向，評(píng)價(jià)SW203A的阻垢性。在發(fā)電機(jī)組停運(yùn)檢修期間查看冷凝器的結(jié)垢情況，驗(yàn)證SW203A的阻垢效果。海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)夏季運(yùn)行的工藝參數(shù)：循環(huán)冷卻水量為 203 985 m3/h，蒸發(fā)損失水量為2 888 m3/h，風(fēng)吹損失為102 m3/h，排污水量為3 500 m3/h，補(bǔ)充水量為6 498 m3/h，凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度為31.3℃，凝汽器冷卻水出口溫度為43.1℃。

2.4阻垢性的評(píng)價(jià)方法

濃縮海水的結(jié)垢傾向及SW203A阻垢性能評(píng)價(jià)采用ΔA值法。當(dāng)試驗(yàn)水樣濃縮前后的ΔA≤0.2時(shí)，可認(rèn)為濃縮海水的結(jié)垢傾向很弱，此時(shí)投加SW203A的最小劑量即為阻垢控制的經(jīng)濟(jì)使用劑量。

ΔA值的計(jì)算公式見式（1）。

ΔA=KCl--K堿度（1）

式中：ΔA——阻垢性能判定值，該值越大則海水的結(jié)垢趨勢越強(qiáng)烈，阻垢劑的阻垢效果越差；

KCl-——以氯離子表示的濃縮倍數(shù)；

K堿度——以總堿度表示的濃縮倍數(shù)。

3　結(jié)果與討論

3.1投加阻垢劑的靜態(tài)阻垢試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)北疆電廠循環(huán)海水中懸浮物變化大的特點(diǎn)，在靜態(tài)阻垢試驗(yàn)重點(diǎn)考察了SW203A投加量對(duì)不同懸浮物海水的阻垢效果。當(dāng)SW203A投加量分別為14、8 mg/L及空白時(shí)，含不同懸浮物的試驗(yàn)水樣經(jīng)加熱濃縮后的ΔA如圖2所示。

圖2　含不同懸浮物的試驗(yàn)水樣經(jīng)加熱濃縮后的ΔA

由圖2可見，濃縮倍數(shù)為2.0時(shí)，空白水樣的ΔA在1.55～1.63，說明該循環(huán)冷卻系統(tǒng)所用海水的成垢趨勢較強(qiáng)，必須投加阻垢劑加以控制。投加8 mg/L的SW203A后，僅有懸浮物為20、40 mg/L水樣的ΔA≤0.2；當(dāng)SW203A投加量增至14 mg/L時(shí)，則可使懸浮物為100 mg/L以下水樣的ΔA≤0.2。可見在保證系統(tǒng)運(yùn)行安全的前提下，阻垢劑投加量與補(bǔ)充海水的懸浮物含量有密切關(guān)系。為有效降低海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的藥劑使用費(fèi)用，應(yīng)通過有效的預(yù)處理手段降低海水懸浮物，并適時(shí)根據(jù)海水水質(zhì)調(diào)整藥劑投加量，從而優(yōu)化藥劑使用，降低藥劑費(fèi)用。

3.2投加阻垢劑的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果

以原海水作為補(bǔ)充水，次氯酸鈉作為菌藻抑制劑，菌藻抑制劑加藥質(zhì)量濃度為5 mg/L（以補(bǔ)充水體積計(jì)），每次連續(xù)投加2 h，每隔8 h加藥1次，同時(shí)根據(jù)靜態(tài)阻垢試驗(yàn)結(jié)果采用SW203A投加量為8 mg/L（以補(bǔ)充水體積計(jì)）進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程為期15 d。試驗(yàn)過程中循環(huán)水的濃縮倍數(shù)變化見圖3，循環(huán)水濁度和ΔA隨運(yùn)行時(shí)間的變化情況見圖4。

由圖3可以看到，系統(tǒng)運(yùn)行約20 h后濃縮倍數(shù)已達(dá)到設(shè)定值2.0左右，此后的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)濃縮倍數(shù)均穩(wěn)定在2.0±0.2。由圖4可見，在模擬裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，循環(huán)水的ΔA與濁度變化趨勢較為一致，雖然在120 h后由于新一批高濁度原海水的加入導(dǎo)致循環(huán)水濁度變大，ΔA也隨之較大幅度地增加，但整個(gè)試驗(yàn)期間循環(huán)水的ΔA始終處于0.14以下。以上結(jié)果表明，8 mg/L的SW203A在高濁度、大變幅的濃縮海水中能夠較好地維持水質(zhì)穩(wěn)定，同時(shí)投加劑量也較為經(jīng)濟(jì)。

圖3　循環(huán)水濃縮倍數(shù)隨　運(yùn)行時(shí)間的變化情況　

圖4　循環(huán)水濁度和ΔA隨時(shí)間的變化情況

同時(shí)，動(dòng)態(tài)阻垢模擬試驗(yàn)還對(duì)循環(huán)水的部分水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，以分析投加阻垢劑對(duì)循環(huán)水水質(zhì)的影響，6組水樣結(jié)果見表4。由表1、表4可以發(fā)現(xiàn)，雖然SW203A阻垢劑的加入使循環(huán)水的溶解氧降低，BOD5和CODMn有所升高，但仍滿足《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的第3類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求（溶解氧＞4 mg/L，COD≤4mg/L，BOD5≤4mg/L），說明含有SW203A的系統(tǒng)排污水向海排放時(shí)不會(huì)降低該類海域的水質(zhì)。從海洋環(huán)境保護(hù)方面考慮，SW203A阻垢劑8 mg/L的投加量不會(huì)對(duì)海洋自然環(huán)境造成破壞。

表4　循環(huán)水中的溶解氧、BOD5和CODMn檢測值

3.3投加阻垢劑后的實(shí)際運(yùn)行評(píng)價(jià)

以動(dòng)態(tài)阻垢模擬試驗(yàn)結(jié)果為指導(dǎo)，以8 mg/L（以補(bǔ)充水體積計(jì)）的投加量向海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)中投加SW203A，并監(jiān)控其運(yùn)行情況。運(yùn)行1年期間1#海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水的ΔA監(jiān)測結(jié)果見圖5。2#海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水的ΔA監(jiān)測結(jié)果與1#相似。

圖5　1#冷卻系統(tǒng)中濃縮倍數(shù)和ΔA的變化情況

從圖5可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行1年來1#海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)中循環(huán)水的ΔA均遠(yuǎn)低于控制指標(biāo)0.2，說明系統(tǒng)循環(huán)水始終保持較低的結(jié)垢傾向，滿足海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)長期運(yùn)行對(duì)循環(huán)水水質(zhì)的穩(wěn)定性要求。此外通過檢修期間對(duì)凝汽器的現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，凝汽器運(yùn)行1年后狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)有結(jié)垢現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了水質(zhì)監(jiān)測結(jié)論及阻垢劑的阻垢效果。

但實(shí)際運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)，向循環(huán)水投加固體鹵素殺菌劑時(shí)，循環(huán)水濁度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯升高后下降的過程，堿度隨之下降，在此過程中ΔA也出現(xiàn)短時(shí)超限現(xiàn)象。顯然，固體鹵素殺菌劑的投加導(dǎo)致循環(huán)水水質(zhì)波動(dòng)，從而使阻垢效果有所下降。為此在原有阻垢劑投加方案基礎(chǔ)上，當(dāng)遇到?jīng)_擊投加固體鹵素殺菌劑時(shí)，適當(dāng)加大了SW203阻垢劑的投加量。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明這樣做完全可消除循環(huán)水ΔA的短時(shí)超限現(xiàn)象，且菌藻抑制效果不受影響，在保證海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)安全運(yùn)行的同時(shí)，阻垢劑費(fèi)用增加不明顯。

4　結(jié)論

（1）北疆電廠周邊海水在靜態(tài)阻垢試驗(yàn)被濃縮至2倍時(shí)，成垢現(xiàn)象較為嚴(yán)重。投加14 mg/L的SW203A即可使懸浮物高達(dá)100 mg/L的海水經(jīng)濃縮后的ΔA＜0.2；當(dāng)懸浮物≤40 mg/L時(shí)SW203A的投加量可降至8mg/L。（2）在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，8 mg/L的SW203A即能控制循環(huán)海水的ΔA遠(yuǎn)＜0.2，且能夠保證系統(tǒng)排污水不對(duì)海洋自然環(huán)境造成污染。（3）為期1年的工程應(yīng)用評(píng)價(jià)表明，8 mg/L的SW203A投加量能夠保證10萬t級(jí)海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)在濃縮倍數(shù)為1.5～1.8的范圍內(nèi)長期安全運(yùn)行，但當(dāng)系統(tǒng)沖擊投加固體鹵素殺菌劑進(jìn)行滅殺菌藻時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大海水阻垢劑的投加量。（4）開展包括靜態(tài)阻垢試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用評(píng)價(jià)在內(nèi)的系列試驗(yàn)?zāi)軌蛉〉幂^為可靠、經(jīng)濟(jì)和全面的循環(huán)水藥劑投加實(shí)施方案，對(duì)于大、中型海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的長期安全運(yùn)行具有顯著的降耗增效意義。

［1］GB/T 12763.4—2007海洋調(diào)查規(guī)范第4部分：海水化學(xué)要素調(diào)查［S］.

［2］GB 17378.4—2007海洋監(jiān)測規(guī)范 第4部分：海水分析［S］.

Study and application of the dosing scheme of scale inhibitor in the seawater circulating cooling system

Ding Yu1，Zhang Wenshuai1，Wang Yinzhong2，Wang Weizhen2，Yin Jianhua2
（1.Tianjin Guotou Jinneng Thermoelectricity Co.，Ltd.，Tianjin 300480，China；2.The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，SOA（Tianjin），Tianjin 300192，China）

To ensure the 1.0×105m3/h seawater circulating cooling system to run safely，the dosing scheme of Scale Inhibitor SW203A has been studied，and its practical application implemented.The results show that when the concentration ratio is 2.0，through static tests，adding 14 mg/L of scale inhibitor SW203A can cause the seawater，whose suspended solids content is as high as 100 mg/L，not to form scaling.When the suspended solids content is not more than 40 mg/L，SW203A dosage can be reduced to 8 mg/L.Through dynamic simulation tests，8 mg/L of SW203A is enough to ensure the ΔA of circulating water to consistently remain at less than 0.2.The evaluation of a one-year practical project indicates that 8 mg/L of SW203A can ensure the system to run chronically and safely when the concentration ratio is in the range of 1.5-1.8.

seawater；recirculating cooling system；scale inhibition

TQ085+.4

B

1005-829X（2016）04-0105-04

丁玉（1972—），高級(jí)工程師。電話：13389976683，E-mail：13389976683@163.com。

2016-03-02（修改稿）