過濾+精除鹽旁流處理工藝在間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

涂孝飛，張曉軍，姜 明

（1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司西安分公司，陜西 西安 710065；2.內(nèi)蒙古京能雙欣發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古烏海 016100；3.神華國(guó)華寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 靈武 750403）

0 引言

近年來，SCAL（sukface condenser aluminum）型間接空冷（以下簡(jiǎn)稱“間冷”）系統(tǒng)憑借其運(yùn)行安全穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)北方地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。然而在應(yīng)用中，存在循環(huán)水水質(zhì)在基建調(diào)試期pH值異常升高的現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻三角管束腐蝕泄漏，造成機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停用[1]；機(jī)組轉(zhuǎn)生產(chǎn)運(yùn)行后，間冷循環(huán)水中硅、鐵、鋁、電導(dǎo)率、pH 值等化學(xué)監(jiān)督項(xiàng)目超標(biāo)的問題持續(xù)存在，給機(jī)組安全運(yùn)行造成極大隱患。因此，針對(duì)間冷循環(huán)水水質(zhì)超標(biāo)原因進(jìn)行分析并采取有效的處理措施顯得尤為重要。

1 水質(zhì)異?，F(xiàn)象及原因分析

1.1 間冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某廠凝汽式汽輪機(jī)和給水泵小機(jī)的排汽進(jìn)入表面式凝汽器，由間冷循環(huán)水進(jìn)行凝結(jié)。循環(huán)水受熱后經(jīng)循環(huán)水泵升壓進(jìn)入自然通風(fēng)間冷塔由空氣冷卻，冷卻后的循環(huán)水再回至表面式凝汽器形成閉式循環(huán)，循環(huán)水水質(zhì)為除鹽水。

1.2 水質(zhì)異?，F(xiàn)象

a）系統(tǒng)沖洗時(shí)間長(zhǎng)。該廠采用除鹽水作為介質(zhì)對(duì)間冷系統(tǒng)進(jìn)行沖洗。第一階段：扇區(qū)進(jìn)回水管短接，進(jìn)扇形板膨脹節(jié)處加裝堵板，沖洗水不進(jìn)入扇區(qū)；第二階段：堵板拆除，系統(tǒng)帶扇區(qū)沖洗，系統(tǒng)沖洗采取邊補(bǔ)邊排的方式，持續(xù)1 個(gè)月水質(zhì)才達(dá)協(xié)議要求值[2]，即pH=6.7～8.0、ρ（SiO2）≤10 g/L、導(dǎo)電率≤2.0 μS/cm、ρ（Al3+）≤8 μg/L、ρ（懸浮物）≤5 mg/L。沖洗期間水質(zhì)情況如表1 所示。

表1 2019 年6—8 月某電廠間冷循環(huán)水系統(tǒng)沖洗水質(zhì)情況

b）運(yùn)行期間水質(zhì)差。系統(tǒng)經(jīng)基建調(diào)試期的空負(fù)荷、帶負(fù)荷、168 h 滿負(fù)荷試運(yùn)后，于2019 年9 月轉(zhuǎn)生產(chǎn)運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)運(yùn)行半年內(nèi)間冷循環(huán)水水質(zhì)分析報(bào)表如表2 所示。

表2 某電廠間冷循環(huán)水生產(chǎn)運(yùn)行水質(zhì)情況

由表1、表2 可知，各水質(zhì)監(jiān)督指標(biāo)合格率較低，其中pH 值最高達(dá)9.55，平均值為8.30。鋁為兩性金屬，在堿性環(huán)境條件下也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的腐蝕，從而導(dǎo)致Al3+質(zhì)量濃度的合格率僅為14.6%。該水質(zhì)環(huán)境的持續(xù)存在和惡化，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕加劇，導(dǎo)致電導(dǎo)率SC（specific conductivity）及懸浮物SS（suspended solids）的質(zhì)量濃度等指標(biāo)合格率也僅為72.3%、80.5%。最終形成水質(zhì)差—腐蝕—水質(zhì)差的惡行循環(huán)。

1.3 水質(zhì)差的原因

設(shè)備在制造階段采用弱堿性鈍化法對(duì)管內(nèi)壁進(jìn)行鈍化處理，該工藝容易在管束中殘留Na+、Cl-及腐蝕介質(zhì)H2O，當(dāng)這些雜質(zhì)接觸O2后，發(fā)生腐蝕。被腐蝕的地方呈活化狀態(tài)為陽(yáng)極，未受到破壞的為陰極，形成“供氧差異電池”，從而產(chǎn)生點(diǎn)蝕，短時(shí)間內(nèi)將管壁腐蝕穿透，導(dǎo)致電導(dǎo)率、Al3+質(zhì)量濃度升高[3]。國(guó)內(nèi)350 MW 和660 MW 間冷超臨界機(jī)組首次扇區(qū)充除鹽水，并接觸到散熱三角底部進(jìn)（出）水膨脹節(jié)碳鋼-1050A 純鋁散熱器時(shí)，就會(huì)造成1050A 純鋁和Q235B 碳鋼耦合的電偶腐蝕，該電偶腐蝕是循環(huán)水pH 值突發(fā)性升高的直接原因[4-6]。為更好地保證機(jī)組的安全、長(zhǎng)期、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，急需對(duì)間冷循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化控制，防止設(shè)備發(fā)生腐蝕泄漏事故。

2 間冷循環(huán)水水質(zhì)現(xiàn)有調(diào)整方式

2.1 除鹽水置換法

受迫于系統(tǒng)的潔凈程度以及工程建設(shè)進(jìn)度的限制，基建期間冷循環(huán)水系統(tǒng)通常采用邊補(bǔ)邊排的方式對(duì)循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；部分運(yùn)行機(jī)組受制于系統(tǒng)改造經(jīng)濟(jì)壓力仍然采用該方式維持運(yùn)行。但由于間冷循環(huán)水系統(tǒng)管線長(zhǎng)、管徑大、儲(chǔ)水量大等因素影響，僅通過換水的方式來降低pH 值及其他離子含量，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的運(yùn)行角度來看，時(shí)效性差、經(jīng)濟(jì)性也差。

2.2 加酸調(diào)節(jié)法

通過向循環(huán)水系統(tǒng)加入碳酸、抗壞血酸等弱酸來降低間冷循環(huán)水pH 值。該處理方式雖能夠快速降低循環(huán)水pH 值，但對(duì)其他超標(biāo)離子的調(diào)整無能為力。另外，加入弱酸時(shí)一并引入了其他離子，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)防腐蝕體系的控制帶來了更多的不穩(wěn)定因素。該方式短期快速調(diào)整pH 可行，但長(zhǎng)期運(yùn)行存在很大的弊端。

2.3 旁路陽(yáng)床法

獨(dú)立陽(yáng)床的旁流處理方式可去除Na+、Al3+、Ca2+、Mg2+等離子，置換出氫離子，氫離子與氫氧根離子反應(yīng)，從而達(dá)到降低循環(huán)水pH 值的目的。雖然該種方式已在部分電廠得到應(yīng)用，效果較好，pH值和電導(dǎo)率均能達(dá)標(biāo)，但也存在一定不利因素。其一，陽(yáng)床僅能對(duì)陽(yáng)離子進(jìn)行去除，而無法去除氯根、硫酸根等陰離子；其二，陽(yáng)床出水呈強(qiáng)酸性，當(dāng)其與氯根、硫酸根結(jié)合，相當(dāng)于強(qiáng)酸存在于循環(huán)水中，存在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備局部產(chǎn)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

3 過濾+精除鹽旁流處理工藝的實(shí)施與應(yīng)用

該電廠化學(xué)水處理車間原設(shè)計(jì)一套除鐵器+活性炭+混合離子交換器冷凝液處理工藝設(shè)備，用于處理蒸汽冷凝液，該系統(tǒng)兼具過濾、除鹽、pH 調(diào)節(jié)功能。按照DL 5068—2014《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)水冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，對(duì)現(xiàn)有凝液處理系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)間冷循環(huán)水旁流處理的功能[8-10]。

3.1 旁流處理工藝的實(shí)施

a）系統(tǒng)升級(jí)改造。系統(tǒng)升級(jí)改造包括系統(tǒng)管道改造、增設(shè)在線儀表、自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)間冷循環(huán)水旁流處理、水質(zhì)監(jiān)督、自動(dòng)調(diào)整等。間冷循環(huán)水冷卻水（熱水）引一路循環(huán)水至冷凝液處理系統(tǒng)冷凝液提升泵出口母管處，該部分循環(huán)水經(jīng)除鐵器+活性炭過濾器+混合離子交換器處理后，經(jīng)管道匯流至循環(huán)水冷卻水回水（冷水）管。

b）工作流程及控制方式。工作流程為先打開旁流處理裝置的進(jìn)出水隔離閥及系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)的手動(dòng)閥、取樣電磁閥，然后控制系統(tǒng)送電自檢，成功后，控制系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒。控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集進(jìn)水在線濁度、pH 值、電導(dǎo)率等循環(huán)水水質(zhì)數(shù)據(jù)，并與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行自動(dòng)比較，當(dāng)水質(zhì)數(shù)據(jù)超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行旁流凈化處理；進(jìn)水水質(zhì)會(huì)不斷接近標(biāo)準(zhǔn)值，此過程中控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)值與標(biāo)準(zhǔn)范圍值的偏差自動(dòng)進(jìn)行比例積分微分PID（proportional inlegral derivative）運(yùn)算，合理調(diào)整進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥的開度，控制旁流處理流量，保證間冷循環(huán)水處理裝置的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；進(jìn)水水質(zhì)已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍要求值時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

3.2 應(yīng)用效果

旁流處理后循環(huán)水ρ（Fe）、ρ（Al3+）、pH 值變化如圖1 所示，旁流處理水量與水質(zhì)合格率隨時(shí)間的變化如圖2 所示。由圖1 可知，當(dāng)間冷循環(huán)旁流處理系統(tǒng)投入運(yùn)行后，pH 值、Fe 和Al3+的質(zhì)量濃度開始明顯下降；72 h 后pH 值就已達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，徹底解決了循環(huán)水pH 值居高不下的癥結(jié)；Fe 和Al3+的質(zhì)量濃度分別降低至4 μg/L、3 μg/L。當(dāng)間冷循環(huán)水旁流處理系統(tǒng)投運(yùn)24 h、96 h 后，懸浮物和電導(dǎo)率就分別達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，后期水質(zhì)長(zhǎng)期保持在優(yōu)良的品質(zhì)。由圖2 可知，當(dāng)間冷循環(huán)水旁流處理水量保持在120 m3/h 以上時(shí)，水質(zhì)合格率從35%快速提高至90%；后期逐漸降低處理時(shí)，合格率一直保持在100%。

圖1 旁流處理后循環(huán)水ρ（Fe）、ρ（Al3+）、pH 值變化

圖2 旁流處理水量與水質(zhì)合格率隨時(shí)間的變化

該旁流處理裝置采用除鐵過濾器+活性炭過濾器過濾加吸附方式，能夠有效去除間冷循環(huán)水中的泥沙、鐵銹、固體雜質(zhì)和有機(jī)物；混合離子交換器不僅能夠?qū)﹂g冷循環(huán)水中的Na+、Al3+、Fe3+、Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子進(jìn)行去除，還可以對(duì)硫酸根、硅酸根、氯離子等陰離子進(jìn)行有效去除；系統(tǒng)出水近中性，有效地解決了小陽(yáng)床處理方式的多種弊端。與此同時(shí)，綜合利用系統(tǒng)內(nèi)的在線化學(xué)儀表、電動(dòng)閥、自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無人值守自動(dòng)化運(yùn)行。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

據(jù)調(diào)查，單臺(tái)350 MW 機(jī)組間接空冷循環(huán)水水質(zhì)惡化導(dǎo)致除鹽水浪費(fèi)、更換鋁材、電資源浪費(fèi)、廢水處理、機(jī)組非停電網(wǎng)考核等原因造成損失共計(jì)約150 萬(wàn)元[11]。若繼續(xù)沿用原有的除鹽水置換方式進(jìn)行水質(zhì)控制調(diào)整，按照單臺(tái)機(jī)組補(bǔ)水率300 t/d 計(jì)算，除鹽水綜合費(fèi)用約為18.3 元/t。過濾+精除鹽（混床）間冷循環(huán)水旁流處理工藝的順利實(shí)施，不僅可以避免因水質(zhì)惡化造成的損失，而且每年還可回收除鹽水約10.95 萬(wàn)t，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約200 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。

4 結(jié)論和建議

a）凝液處理系統(tǒng)技術(shù)改造應(yīng)用于間冷循環(huán)水處理系統(tǒng)，pH 值調(diào)節(jié)與離子去除同時(shí)實(shí)現(xiàn)，水質(zhì)凈化更徹底，使得間冷循環(huán)水水質(zhì)得到有效地改善和控制，使其各項(xiàng)水質(zhì)分析指標(biāo)均達(dá)到設(shè)備廠家技術(shù)協(xié)議要求值，消除了間冷系統(tǒng)腐蝕隱患，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

b）凝液系統(tǒng)按照方案實(shí)施改造后，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)廠外冷凝液的回收處理，還能對(duì)間冷循環(huán)水進(jìn)行旁流處理，將其功能發(fā)揮到最大化。由于間冷循環(huán)水旁流處理僅需定期周期性運(yùn)行，因此新增系統(tǒng)管道閥門均按手動(dòng)閥門設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)改造投資，實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)出投入比。

c）相比除鹽水置換、加藥處理、旁路陽(yáng)床處理等工藝，過濾+精除鹽的旁流處理方式效果更佳，經(jīng)濟(jì)性、安全性更為顯著。

d）間冷循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)的調(diào)節(jié)與控制應(yīng)從設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等多維角度及不同階段提前制定合理有效的處理方案，提前規(guī)劃、盡早施工、早日投運(yùn)，這樣才可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

e）腐蝕傾向模型構(gòu)建的必要及迫切性。采用掛片試驗(yàn)和電化學(xué)測(cè)量相結(jié)合的方式，研發(fā)一套間冷循環(huán)水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)防腐蝕智能監(jiān)控儀，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)間冷循環(huán)水旁流改造及水質(zhì)凈化研究效果，為今后同類型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行提供借鑒。