量子管通環(huán)在350MW高背壓機組熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)中的應用

盧溫厚，徐志鴻

1.國家能源泰安熱電有限公司，山東 泰安 271000

2.北京微朗世紀科技有限公司，北京 100097

1 項目背景

某企業(yè)350MW超臨界機組于2019年進行了高背壓供熱改造，通過對汽輪機低壓轉(zhuǎn)子和凝汽器的改造，將汽輪機背壓由4.9kPa提高至54kPa，低壓缸排汽的飽和溫度提高至83.3℃；將凝汽器改造為供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)加熱器，充分利用低壓缸排汽的汽化潛熱加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，降低汽輪機的冷源損失，提高機組的循環(huán)熱效率。供熱首站至城區(qū)西路供回水和東路供回水均采用DN1200的循環(huán)水管道，承擔泰安市區(qū)超過2000萬m2的供熱任務，熱網(wǎng)循環(huán)水回到凝汽器時存在結(jié)垢和腐蝕的隱患，一旦凝汽器換熱管出現(xiàn)結(jié)垢腐蝕情況，不僅會影響機組負荷，更重要的是將顯著降低其供熱能力，嚴重影響城區(qū)的供暖安全。

在高背壓工況下，該凝汽器設計循環(huán)水量為13700m3/h，冷卻面積為23000m2，管內(nèi)平均循環(huán)水流速為0.81m/s，清潔系數(shù)為0.9，水阻為84.90kPa。另外，在高背壓工況下膠球系統(tǒng)不能投運，凝汽器換熱管一旦出現(xiàn)結(jié)垢或腐蝕現(xiàn)象，將導致凝汽器熱換熱效果降低，機組帶負荷能力下降，直接影響首站供暖負荷。熱網(wǎng)加熱器進汽壓力為0.40～0.55MPa（絕對壓力），進汽溫度為257℃，出水溫度設計為130℃，水側(cè)阻力≤40kPa。該企業(yè)的水源為城市第二污水廠的中水，在電廠進一步處理后補入熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)，因此對熱網(wǎng)循環(huán)水質(zhì)處理要求較高。為了避免凝汽器換熱管和熱網(wǎng)加熱器換熱管結(jié)垢或腐蝕，保證供熱設備長久穩(wěn)定運行，經(jīng)過技術(shù)論證及考察，在熱網(wǎng)循環(huán)水進凝汽器前，進行加裝物理法水處理設備-量子管通環(huán)的應用研究。

2 量子管通環(huán)阻垢緩蝕技術(shù)概述

量子管通環(huán)阻垢技術(shù)是一種新穎的緩蝕阻垢技術(shù)，發(fā)明于20世紀90年代的德國，由當時斯圖加特大學的物理學家舒伯特與德國IAB生物能量技術(shù)研究所聯(lián)合研制而成，其理論基礎來自量子力學中物質(zhì)屬性的波粒二象性。早期的一代產(chǎn)品量子管通環(huán)由德國IAB生物能量技術(shù)研究所率先推向市場，在工業(yè)水處理除垢防腐領域引起了強烈的反響。21世紀初該產(chǎn)品被引入中國市場，廣泛應用于工業(yè)水處理領域，包括化工、電力、鋼鐵行業(yè)的大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，自備電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，中小型工業(yè)熱交換系統(tǒng)，熱力站的供暖系統(tǒng)，油田注水系統(tǒng)，油氣集輸管線，等等。

（1）除垢機理的量子理論依據(jù)。在量子力學中，有一個物質(zhì)波的概念，又被稱為德布羅意波。德布羅意是一位法國物理學家，他指出實物粒子也具有波動性。在微觀世界里，對于尺度足夠小的物質(zhì)，是不能忽略量子物理中的波粒二象性這一物質(zhì)屬性的。除了電子，后來人們還陸續(xù)證實了質(zhì)子、中子、原子、分子的波動性。對于這些粒子，德布羅意給出的E=hv和P=h/λ關(guān)系式同樣正確。宏觀世界中的物質(zhì)都是由微觀粒子構(gòu)成的，微觀粒子的內(nèi)構(gòu)成與其波動屬性都具有一定的固有特征，如果這種特征發(fā)生變化，勢必影響由其形成的宏觀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。構(gòu)成晶體化合物的晶格發(fā)生畸變，則晶體結(jié)構(gòu)的取向以及松散度、致密性等物理屬性相應發(fā)生改變。在結(jié)晶時形成比較酥松的晶體，防止晶體之間進一步吸附嵌入板結(jié)成致密的水垢。

無論是新系統(tǒng)還是已經(jīng)投入運行的老系統(tǒng)，在設備和管道表面均有一層金屬氧化物或直接與水接觸的金屬單質(zhì)。WELLAN2000量子管通環(huán)釋放出的超精微振動波作用于金屬原子和水中的氧原子，干擾鐵離子與氧定向結(jié)合，在管道表面上生成以Fe3O4為主要成分的金屬氧化膜，隔絕腐蝕因子的侵襲，對金屬表面起到保護作用。同時，量子管通環(huán)所釋放的超精微振動波活化水分子可以瓦解剝離老垢，消除垢下細菌滋生的溫床，從而抑制細菌的大量繁殖，大幅減少細菌酸性分泌物對金屬管道的腐蝕。在實際應用中，量子管通環(huán)具有良好的綜合緩蝕表現(xiàn)。

（2）微朗量子管通環(huán)工作原理。量子管通環(huán)由信息儲存能力很強的特種合金材料組成，通過釋放預先“刻錄”在產(chǎn)品內(nèi)的特制生物信號（超精微振動波）到管網(wǎng)水體中，改變水及水中垢、銹、菌藻等物質(zhì)的分子振動模式。這些物質(zhì)在新的分子振動能量基礎上，經(jīng)過長期緩慢相互作用，物理性質(zhì)發(fā)生改變，水分子的活性及滲透力增強，水垢及銹蝕變軟脫落，菌藻的生長得到抑制，從而逐步實現(xiàn)防垢、防銹、抑制菌藻等功能，達到保障用水管道系統(tǒng)正常使用和延長設備使用壽命的目的。

經(jīng)過處理的水垢或脫落成塊狀或疏松成粉狀,金屬管道壁的鐵銹也會慢慢剝離進入水中，水中的總固形物含量會出現(xiàn)先上升再下降最后回落到一個很低的正常水平的狀態(tài)，因此在閉路循環(huán)系統(tǒng)應用時需要對含鹽離子高的系統(tǒng)水進行定期排污。

（3）量子管通環(huán)除垢技術(shù)發(fā)展與應用情況?；诹孔恿W原理開發(fā)的阻垢緩蝕技術(shù)源于德國IAB生物能量研究所，該研究所由德國的水處理專家瓦格納先生聯(lián)合斯圖加特大學于20世紀80年代創(chuàng)立。產(chǎn)品最初應用于社區(qū)供水等民用市場，因其表現(xiàn)良好，經(jīng)過技術(shù)升級開發(fā)逐步進入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、油田污水處理等工業(yè)市場。

（4）量子管通環(huán)的應用環(huán)境及對設備的要求。設備傳熱面水側(cè)黏附速率不大于15mg/（cm2·月），碳鋼設備傳熱面水側(cè)腐蝕速率小于0.075mm/年，銅合金和不銹鋼設備傳熱面水側(cè)腐蝕速率小于0.005mm/年。

（5）量子管通環(huán)安裝非常簡便，產(chǎn)品外觀特點為一個完整的圓形金屬環(huán)，由兩個半圓形金屬環(huán)對扣卡在管道外圍，用內(nèi)六角螺栓緊固，并使用專用絕緣膠帶將產(chǎn)品內(nèi)表面與金屬管道外壁隔離。安裝點距離電源、電機、電纜線等帶電體1m以上。

3 應用方案

350MW超臨界高背壓機組熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)如圖1所示。為了防止凝汽器和熱網(wǎng)加熱器換熱管結(jié)垢、腐蝕，影響供熱系統(tǒng)安全，在考察比較了系統(tǒng)加藥和管網(wǎng)加裝量子管通環(huán)后，認為量子管通環(huán)方案環(huán)保、可靠，免維護，更適合高背壓機組熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)。因此，在2019年11月，該背壓供熱機組城市熱網(wǎng)循環(huán)水回水至凝汽器管道上安裝了2只量子管通環(huán)，量子管通環(huán)內(nèi)徑為1226mm，距凝汽器前端分別約30m、80m，熱網(wǎng)循環(huán)水經(jīng)過量子管通環(huán)處理后匯合，再進入凝汽器換熱。熱網(wǎng)循環(huán)水設計回水溫度為50℃，循環(huán)水溫升28.32℃，在凝汽器加熱升溫后，再去熱網(wǎng)加熱器進行二級加熱，以滿足城市熱網(wǎng)溫度和熱量的需求。

圖1 350MW高背壓機組凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)示意圖

4 應用效果檢測與評估

安裝量子管通環(huán)后，設備保持正常運行，在每個供暖季結(jié)束后都將冷凝器打開檢測驗視設備內(nèi)表面是否有結(jié)垢或腐蝕現(xiàn)象。經(jīng)過兩個供暖季的連續(xù)應用和技術(shù)人員的細致檢查，凝汽器和熱網(wǎng)加熱器換熱管均沒有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，也沒有結(jié)垢或腐蝕現(xiàn)象。對熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)中的水樣進行總鐵含量的分析測試，結(jié)果表明，管道也沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。檢查量子管通環(huán)，兩個供暖季內(nèi)沒有任何維護，產(chǎn)品工作穩(wěn)定，兩個供暖季的水質(zhì)指標監(jiān)測表明水質(zhì)穩(wěn)定，保證了供暖設備的安全可靠。

5 結(jié)論

經(jīng)過兩個供暖季的應用和檢測，量子管通環(huán)的使用效果明顯，沒有發(fā)生任何結(jié)垢與腐蝕問題，總體上保障了供暖設備的安全性，達到了應用研究的目的。綜合該產(chǎn)品在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)上的應用情況，對其技術(shù)特點作出如下總結(jié)：

（1）阻垢效果比較穩(wěn)定，污垢沉積速率能達到相關(guān)行業(yè)標準，能保護凝汽器、熱網(wǎng)加熱器不結(jié)垢，保持良好換熱效果，節(jié)約能耗；

（2）量子管通環(huán)安裝簡便，環(huán)保節(jié)能，無污染，無運行費，無特殊維護要求；

（3）就量子管通環(huán)的安裝環(huán)境而言，只需保證電場強度不超過50V/M即可，應用場所廣泛，安裝位置靈活；

（4）熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)化學藥劑明顯減少，在水質(zhì)穩(wěn)定時已完全替代加藥；

（5）量子管通環(huán)使用壽命可達15年以上，綜合效費比較高。

鑒于量子管通環(huán)具備以上優(yōu)點，值得在高背壓機組熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)中推廣使用。