不穩(wěn)定補(bǔ)充水質(zhì)循環(huán)水高濃縮倍率的控制

仲繼克，李德峰

（華電渠東發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

華電渠東發(fā)電有限公司（以下簡稱渠東電廠）2×330 MW燃煤供熱機(jī)組循環(huán)冷卻水（以下簡稱循環(huán)水）系統(tǒng)配備敞開式自然通風(fēng)、雙曲線冷卻塔，采用賈屯污水處理廠的中水和賈太湖蓄水池的黃河水兩種水源，經(jīng)渠東電廠再次處理后同時(shí)用作補(bǔ)水。

賈太湖黃河水水質(zhì)相對較好，而賈屯污水處理廠主要接納周邊的化工廠、造紙廠及制藥廠廢水等工業(yè)廢水，中水雖經(jīng)混凝、澄清處理，但水質(zhì)仍然很差且不穩(wěn)定。受多種因素的共同影響，渠東電廠循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)長期存在問題，導(dǎo)致無法按照濃縮倍率的常規(guī)調(diào)節(jié)方法控制循環(huán)水水質(zhì)，給循環(huán)冷卻系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響。

1 循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)不穩(wěn)定原因

1.1 補(bǔ)充水和循環(huán)水水質(zhì)狀況

以2020-03-02—06為例，補(bǔ)水和循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示，循環(huán)水補(bǔ)充水Cl-質(zhì)量濃度曲線見圖1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，循環(huán)水補(bǔ)充水含鹽量、Cl-及SO42-質(zhì)量濃度、總硬度和鈣硬度均較高，循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)不穩(wěn)定。如果控制不好，這種較差的水質(zhì)會對循環(huán)水系統(tǒng)造成腐蝕和結(jié)垢等危害。

表1 補(bǔ)水和循環(huán)水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

1.2 水質(zhì)不穩(wěn)定原因

渠東電廠循環(huán)水補(bǔ)水處理流程如圖2所示。

圖2 循環(huán)水補(bǔ)水處理流程

賈屯污水處理廠來的中水經(jīng)2號澄清池進(jìn)行石灰、聚合硫酸鐵混凝、澄清和變孔隙濾池過濾處理后，補(bǔ)充到循環(huán)水水塔中；賈太湖的黃河水經(jīng)3號澄清池和變孔隙濾池過濾后補(bǔ)到循環(huán)水水塔中。循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)不穩(wěn)定的原因有：

（1）循環(huán)水補(bǔ)充水水源不單一。

（2）雖然賈太湖黃河水在短時(shí)間內(nèi)水質(zhì)變化幅度相對不大，但賈屯污水處理廠來的中水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)波動較大。

（3）兩種補(bǔ)充水源來水的摻混比例不穩(wěn)定，經(jīng)常需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 循環(huán)水水質(zhì)的控制與動態(tài)模擬試驗(yàn)

通常將循環(huán)水含鹽量與補(bǔ)充水含鹽量的比值稱作濃縮倍率[2]，是衡量循環(huán)水水質(zhì)控制優(yōu)劣的一個(gè)重要綜合指標(biāo)[5]。濃縮倍率低，耗水量、排污量大，水處理藥劑的效能得不到充分發(fā)揮。提高循環(huán)水的濃縮倍率，可以降低補(bǔ)充水的使用量，不但節(jié)水還可以降低水處理劑的消耗量[1]，從而降低水處理成本。但濃縮倍率過高，循環(huán)水的結(jié)垢傾向也會增加，還會使循環(huán)水中的各種離子（例如Cl-、SO42-）和腐蝕性物質(zhì)（例如H2S、SO2和NH3）的含量增加，提高了腐蝕抑制難度；過多地提高濃縮倍率還會使藥劑（例如聚磷酸鹽）因在冷卻水系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)間過長而水解[1]，因此需要將循環(huán)水的濃縮倍率控制在合理范圍內(nèi)。由于各電廠補(bǔ)充水水質(zhì)及循環(huán)水運(yùn)行情況存在很大差異，需要根據(jù)具體情況有針對性地制訂循環(huán)水濃縮倍率的控制策略。

2.1 控制參數(shù)的選擇

實(shí)際工作中，濃縮倍率N通常按式（1）來計(jì)算[2]：

式中：S循為循環(huán)水中Cl-的質(zhì)量濃度，mg/L；S補(bǔ)為補(bǔ)水中Cl-的質(zhì)量濃度，mg/L。

若補(bǔ)充水水質(zhì)不穩(wěn)定、Cl-質(zhì)量濃度波動較大，仍以Cl-計(jì)算濃縮倍率不再合適，其他離子也一樣。由于采用單一指標(biāo)來控制濃縮倍率無法達(dá)到預(yù)期效果，需要綜合考慮循環(huán)水的多項(xiàng)指標(biāo)，經(jīng)過專項(xiàng)試驗(yàn)，并結(jié)合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等合理確定控制參數(shù)和指標(biāo)控制范圍。

2.2 水質(zhì)控制的主要影響因素

2.2.1 系統(tǒng)腐蝕

在控制循環(huán)水濃縮倍率的同時(shí)，還要兼顧補(bǔ)水和循環(huán)水中電導(dǎo)率、pH值、鈣硬度、堿度、Cl-和SO42-質(zhì)量濃度等各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)[6]。Cl-是水中最常見的陰離子，也是引起水質(zhì)腐蝕性的催化劑，能強(qiáng)烈推動和促進(jìn)金屬表面電子的交換反應(yīng)，尤其是水系統(tǒng)中的不銹鋼材料，Cl-的富集會加速其電化學(xué)腐蝕過程。SO42-也是較普遍存在于水中的陰離子，可與陽離子Ca2+等生成硫酸鹽沉淀而引起結(jié)垢；其同時(shí)也是水中硫酸鹽還原菌的營養(yǎng)源，大量SO42-的存在會對循環(huán)水系統(tǒng)中水泥建筑等造成腐蝕。GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，Cl-質(zhì)量濃度+SO42-質(zhì)量濃度＜2500 mg/L[3]。

渠東電廠凝汽器不銹鋼管材質(zhì)是TP317，Cl-質(zhì)量濃度耐受力＜5 g/L[4]。目前，渠東電廠循環(huán)水中Cl-質(zhì)量濃度較高、SO42-質(zhì)量濃度非常高，因此電廠循環(huán)水的控制重點(diǎn)是防止腐蝕的發(fā)生。

2.2.2 系統(tǒng)結(jié)垢和積鹽

天然水分類中，將硬度大于9.0 mmol/L的水稱為極硬水，鹽質(zhì)量濃度大于1000 mg/L的水稱為高含鹽量水[1]。據(jù)此判斷，渠東電廠補(bǔ)充水屬于極硬水和高含鹽量水，因此防止系統(tǒng)結(jié)垢和積鹽也是渠東電廠循環(huán)水控制的重點(diǎn)。

2.3 循環(huán)水動態(tài)模擬試驗(yàn)

黃河水和中水配比不固定導(dǎo)致補(bǔ)充水水質(zhì)不穩(wěn)定，從經(jīng)濟(jì)性和安全性角度考慮，選擇最常用的配比（1∶1）進(jìn)行動態(tài)模擬試驗(yàn)，兼顧渠東電廠所用的緩蝕阻垢劑、殺菌劑、凝汽器管材質(zhì)及循環(huán)水水質(zhì)等相關(guān)參數(shù)[9]，制訂了動態(tài)模擬試驗(yàn)方案，并于2018年開展了動態(tài)模擬試驗(yàn)。

2.3.1 循環(huán)水殺菌試驗(yàn)

循環(huán)水系統(tǒng)是一個(gè)特殊的生態(tài)環(huán)境，冷卻塔的水溫常年保持在25~40℃，供氧充足，溶解氧可達(dá)到飽和，這些都有利于細(xì)菌、微生物的生長。為了防止微生物對管材的腐蝕，開展了殺菌試驗(yàn)，以確定殺菌滅藻劑的最優(yōu)加入方式和加入量。

2.3.2 凝汽器管防腐試驗(yàn)

根據(jù)循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)情況和凝汽器管的材質(zhì)，進(jìn)行靜態(tài)腐蝕試驗(yàn)和動態(tài)腐蝕試驗(yàn)[6]，測定所用水質(zhì)穩(wěn)定劑對管材的腐蝕速率。

2.3.3 動態(tài)模擬試驗(yàn)

根據(jù)黃河水和中水的水源配比（1∶1）進(jìn)行動態(tài)模擬試驗(yàn)。動態(tài)模擬試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫啬M現(xiàn)場運(yùn)行情況，提供實(shí)際的循環(huán)水現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)，如濃縮倍率、極限碳酸鹽硬度等運(yùn)行控制指標(biāo)。動態(tài)模擬試驗(yàn)依據(jù)DL/T 300—2011《火電廠凝汽器管防腐防垢導(dǎo)則》[5]和HG/T 2160—2008《冷卻水動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)方法》[6]進(jìn)行，但HG/T 2160—2008中采用的“循環(huán)水堿度濃縮倍數(shù)與循環(huán)水濃縮倍數(shù)的差值大于0.2時(shí)的硬度即為極限碳酸鹽硬度”的判斷方法已不能較好地適應(yīng)本試驗(yàn)的要求，本試驗(yàn)需要重點(diǎn)關(guān)注試驗(yàn)過程中換熱管壁是否存在明顯的結(jié)垢[7]。動態(tài)模擬試驗(yàn)確定的循環(huán)水濃縮倍率、堿度、Cl-質(zhì)量濃度等現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)控制指標(biāo)參考值如表2所示。

表2 循環(huán)水運(yùn)行參數(shù)控制指標(biāo)參考值

動態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果：

（1）緩蝕阻垢劑質(zhì)量濃度在8 mg/L時(shí)，可使循環(huán)水濃縮倍率達(dá)到4.51倍。

（2）加入殺菌劑（有效含量為90%，質(zhì)量濃度為50 mg/L）的同時(shí)，定期配合加入非氧化殺菌劑（如1227殺菌劑，有效含量44%，質(zhì)量濃度50 mg/L），可以將循環(huán)水微生物控制在較低水平。

（3）腐蝕試驗(yàn)中，TP317不銹鋼試環(huán)未見明顯腐蝕情況，腐蝕速率符合GB/T 50050—2017中的相關(guān)要求。

3 控制指標(biāo)優(yōu)化

3.1 第一次優(yōu)化

參照循環(huán)水動態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范及前期循環(huán)水運(yùn)行調(diào)控經(jīng)驗(yàn)等，對循環(huán)水控制指標(biāo)進(jìn)行了第一次優(yōu)化，確定的循環(huán)水控制指標(biāo)（2018—2019年）如表3所示。

表3 循環(huán)水控制指標(biāo)（2018—2019年）

按照優(yōu)化后的控制指標(biāo)運(yùn)行半年多后，2019夏季機(jī)組檢修期間對凝汽器進(jìn)行了全面檢查，檢查結(jié)果未見異常，循環(huán)水系統(tǒng)狀況正常。

3.2 第二次優(yōu)化

結(jié)合歷年循環(huán)水控制情況，以及機(jī)組檢修時(shí)對凝汽器水側(cè)等設(shè)備的檢測結(jié)果，為了減少加酸量以降低循環(huán)水中的SO42-質(zhì)量濃度，減緩循環(huán)水系統(tǒng)中碳鋼和水泥設(shè)施等的腐蝕速率，2019年末對循環(huán)水控制指標(biāo)進(jìn)行了第二次優(yōu)化調(diào)整（結(jié)果見表4），主要將全堿度值由8 mmol/L提升到了12 mmol/L，鈣硬度由18 mmol/L提升到了22 mmol/L。

表4 循環(huán)水控制指標(biāo)第二次優(yōu)化結(jié)果1）

實(shí)際運(yùn)行中調(diào)控水質(zhì)時(shí)，可靈活掌握指標(biāo)要求，滿足“鈣硬度+堿度（Ca2+質(zhì)量濃度+堿度甲基橙）≤30 mmol/L”即可。按照第二次優(yōu)化確定的循環(huán)水控制指標(biāo)運(yùn)行近1年后，2020年夏季機(jī)組檢修期間對凝汽器進(jìn)行了全面檢查，系統(tǒng)及設(shè)備狀況良好，凝汽器不銹鋼管檢查情況如圖3所示。

圖3 凝汽器不銹鋼管狀況

4 結(jié)語

循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)不穩(wěn)定情況下，無法按照濃縮倍率的常規(guī)控制方法來調(diào)節(jié)循環(huán)水水質(zhì)。本文通過優(yōu)化試驗(yàn)，確定了循環(huán)水水質(zhì)的主要控制指標(biāo)，能夠使循環(huán)水濃縮倍率保持在較高水平且保證循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)定、良好，解決了渠東電廠不穩(wěn)定補(bǔ)充水質(zhì)導(dǎo)致的循環(huán)水水質(zhì)問題，保障了循環(huán)水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為電廠的節(jié)能減排工作做出了貢獻(xiàn)。