超大型供熱系統(tǒng)的水質(zhì)管理

王旭峰

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030024)

太古熱網(wǎng)熱源為古交興能電廠，電廠共有三期六臺(tái)供熱機(jī)組，其中一期2臺(tái)300MW供熱機(jī)組，二期2臺(tái)600MW供熱機(jī)組，三期2臺(tái)660MW供熱機(jī)組，發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量為3120MW，設(shè)計(jì)供熱能力達(dá)到3484MW，實(shí)際最大供熱面積約6800萬m（其中包含20%調(diào)峰）。設(shè)計(jì)供水溫度最高130℃。

古交興能電廠至太原市城區(qū)37.8km，熱電廠地面標(biāo)高1030m，太原市地面標(biāo)高850m，全程最大高差180m。管線距離長、高差大，中間設(shè)置3個(gè)中繼泵站（1＃泵站、2＃泵站、3＃泵站）、1個(gè)中繼能源站（隔壓站），其中中繼能源站通過水-水換熱器將長輸管線一次側(cè)熱量傳遞至二次側(cè)，經(jīng)大溫差機(jī)組換熱至用戶側(cè)供熱。長輸管線為4×DN1400的兩套供熱系統(tǒng)，每套供熱系統(tǒng)有6組循環(huán)泵，每組循環(huán)泵設(shè)4臺(tái)水泵，不設(shè)備用泵，全系統(tǒng)共計(jì)48臺(tái)循環(huán)泵。

太古熱網(wǎng)以中繼能源站板式換熱器為界，分為高溫網(wǎng)系統(tǒng)和一級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)。電廠至中繼能源站板式換熱器部分為高溫網(wǎng)系統(tǒng)，分為獨(dú)立的系統(tǒng)I和系統(tǒng)II兩個(gè)系統(tǒng)，敷設(shè)四根供熱管線（兩供兩回）；中繼能源站板式換熱器至下游各熱力站為一級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)，按照供熱區(qū)域海拔高低的不同，一級(jí)網(wǎng)又分為低海拔一級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)和高海拔一級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)。

高溫網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的容水量達(dá)到23.3萬t。低海拔一級(jí)網(wǎng)供熱管線全長約922km，最大管徑DN1400，管網(wǎng)容水量約為32.5萬t。高海拔一級(jí)網(wǎng)管網(wǎng)長度約45km，計(jì)算容水量為2.7萬t。其中高溫網(wǎng)和低海拔一級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)容水量巨大，運(yùn)行過程中要保證水質(zhì)的安全、穩(wěn)定。

1 水質(zhì)管理

在一整個(gè)自然年中，系統(tǒng)保壓分為三個(gè)階段：

10.1-10.25注水期（供熱運(yùn)行前的系統(tǒng)保壓）

10.26-3.31補(bǔ)水期（供熱運(yùn)行中的系統(tǒng)保壓）

4.1-9 .31濕保護(hù)期（停熱時(shí)的系統(tǒng)保壓）

在系統(tǒng)保壓的各個(gè)階段，要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，以防水質(zhì)出現(xiàn)異常。由于水體采樣點(diǎn)固定，當(dāng)水體不循環(huán)時(shí)，檢測(cè)管網(wǎng)內(nèi)的水質(zhì)沒有意義。所以，在檢測(cè)過程中以系統(tǒng)內(nèi)部水體是否循環(huán)為分界點(diǎn)，分為補(bǔ)水期水質(zhì)檢測(cè)和注水期、濕保護(hù)期水質(zhì)檢測(cè)兩個(gè)階段。其中，補(bǔ)水期檢測(cè)軟化罐、軟水箱和管網(wǎng)水質(zhì)狀況；注水、濕保護(hù)期檢測(cè)軟化罐和軟水箱水質(zhì)狀況。管線系統(tǒng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為表1所示。

表1 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)表

對(duì)于供熱系統(tǒng)來說，系統(tǒng)內(nèi)部水質(zhì)情況的變化取決于給注入的水質(zhì)情況，下面通過介紹各子系統(tǒng)的補(bǔ)水方式，來闡述對(duì)水質(zhì)的管理重方式。

1.1 高溫網(wǎng)水質(zhì)管理

太古長輸管線高差達(dá)到180m，為能夠便于向系統(tǒng)內(nèi)部注水。將海拔相對(duì)較高的古交興能電廠、1＃中繼泵站、2＃中繼泵站設(shè)為補(bǔ)水點(diǎn)（見圖1）。

圖1 太古長輸管線簡(jiǎn)圖

其中，注水期和補(bǔ)水期是以電廠為主，1、2＃泵站為輔；濕保護(hù)期是1、2＃泵站為主，電廠不進(jìn)行補(bǔ)水。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)2016—2021期間內(nèi)，5年內(nèi)的各個(gè)補(bǔ)水階段的補(bǔ)水量：

補(bǔ)水期單系統(tǒng)的補(bǔ)水量為6000～10000t。

濕保護(hù)期單系統(tǒng)的補(bǔ)水量為5000～9000t。

注水期單系統(tǒng)的補(bǔ)水量為2000～6000t。

單系統(tǒng)容水量約為116000t，所以每年的置換比例為11%～22%。整體來看，長輸管線系統(tǒng)封閉性較好，失水量較低。

太古長輸管線從電廠出來后先后經(jīng)過四個(gè)泵站，為保證水質(zhì)化驗(yàn)的準(zhǔn)確，在4個(gè)泵站都有化驗(yàn)點(diǎn)來檢測(cè)水質(zhì)。由于系統(tǒng)內(nèi)部水體循環(huán)，4個(gè)點(diǎn)位的水質(zhì)情況一致。

系統(tǒng)是通過離子交換樹脂進(jìn)行制水，制水一段時(shí)間后樹脂需要沖洗，要隨時(shí)檢測(cè)制水情況。開始補(bǔ)水時(shí)，制水設(shè)備和管網(wǎng)中的水質(zhì)情況不穩(wěn)定，檢測(cè)會(huì)比較頻繁。隨著水質(zhì)情況越來越穩(wěn)定，逐步延長檢測(cè)間隔。具體檢測(cè)方式如下。

1）補(bǔ)水期：開始補(bǔ)水時(shí)，每2h測(cè)一次水質(zhì)。隨著水質(zhì)越來越穩(wěn)定，檢測(cè)間隔逐步提高，分別為4、6、8、12、24h，并一直以每24h測(cè)一次，至運(yùn)行結(jié)束。

2）注水、濕保護(hù)期：設(shè)備剛啟動(dòng)時(shí)，每2h測(cè)一次水質(zhì)，制出的水質(zhì)穩(wěn)定后，每4h測(cè)一次水質(zhì)。

1.2 低海拔一級(jí)網(wǎng)水質(zhì)管理

為確保太古低海拔一級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，盡可能避免大量失水導(dǎo)致失壓，需在管網(wǎng)上設(shè)置足夠多的補(bǔ)水點(diǎn)，保證正常運(yùn)行狀態(tài)補(bǔ)水及應(yīng)急狀態(tài)補(bǔ)水。各供熱單位共設(shè)立21處一級(jí)網(wǎng)補(bǔ)水點(diǎn)。截止目前，除個(gè)別補(bǔ)水點(diǎn)由于正在建設(shè)或自來水水壓不足無法補(bǔ)水外，其余均具備補(bǔ)水條件，系統(tǒng)持續(xù)1h計(jì)算最大補(bǔ)水能力為1257t。

太古低海拔一級(jí)網(wǎng)由中繼能源站出口到管網(wǎng)最末端達(dá)37km，管網(wǎng)龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運(yùn)行期管網(wǎng)日常失水量為5000t左右。為了保證熱網(wǎng)正常運(yùn)行，需“二補(bǔ)一”熱力站對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)水，因此“二補(bǔ)一”熱力站水質(zhì)情況對(duì)中繼能源站、熱力站及管網(wǎng)的影響十分顯著，若水質(zhì)硬度過大會(huì)影響能源站及熱力站板換的換熱效果，降低管網(wǎng)使用壽命。

在前4個(gè)采暖季都采取人工定時(shí)化驗(yàn)水質(zhì)狀況，由于太古熱網(wǎng)涉及范圍大，部分“二補(bǔ)一”熱力站距離分公司較遠(yuǎn)，會(huì)出現(xiàn)路上2h，工作五分鐘的現(xiàn)象，并且無法實(shí)時(shí)得知在“二補(bǔ)一”熱力站補(bǔ)水時(shí)的水質(zhì)情況，會(huì)存在補(bǔ)水時(shí)水質(zhì)硬度過高的情況，因此對(duì)太古一級(jí)網(wǎng)“二補(bǔ)一”熱力站安裝了在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱力站的水質(zhì)狀況。

在停暖期間對(duì)太古低海拔一級(jí)網(wǎng)“二補(bǔ)一”熱力站軟化罐后加裝在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置（如圖2、圖3），該設(shè)備采用比色滴定原理檢測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)水硬度，并通過藥劑的消耗量計(jì)算出實(shí)際硬度值。系統(tǒng)內(nèi)配置高精度蠕動(dòng)泵3臺(tái)，用于藥劑的滴定作業(yè)，直接使用正常藥劑，無需特殊配置的藥劑，節(jié)約測(cè)試成本。系統(tǒng)根據(jù)間隔時(shí)間和間隔流量自動(dòng)取樣分析產(chǎn)水硬度，分析結(jié)果實(shí)時(shí)顯示并記錄保存。裝置可與熱力站軟水罐連接，檢測(cè)水質(zhì)不合格時(shí)，可啟動(dòng)軟水系統(tǒng)再生，如軟水系統(tǒng)存在故障時(shí)，報(bào)警提示，不引發(fā)再生。

圖2 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置外觀與內(nèi)部構(gòu)造

圖3 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置屏幕顯示

水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置采用modbus通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)接入熱力站自控PLC柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱力站水質(zhì)狀況。

太古熱網(wǎng)共在18個(gè)“二補(bǔ)一”熱力站，1個(gè)泵站及2個(gè)熱源廠安裝在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置，并完成遠(yuǎn)程顯示功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)21個(gè)“二補(bǔ)一”補(bǔ)水點(diǎn)的水質(zhì)狀況。在運(yùn)行期啟動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水質(zhì)合格的補(bǔ)水點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到啟動(dòng)補(bǔ)水點(diǎn)水質(zhì)硬度過高時(shí)及時(shí)停止補(bǔ)水，并更換其他水質(zhì)合格補(bǔ)水點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)水。

太古一級(jí)網(wǎng)安裝在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置后，明顯降低了化驗(yàn)人員化驗(yàn)水質(zhì)的頻率，很大程度上節(jié)約了人力、物力資源，實(shí)時(shí)監(jiān)控“二補(bǔ)一”熱力站水質(zhì)情況，有效的控制太古一級(jí)網(wǎng)補(bǔ)水水源水質(zhì)合格，水質(zhì)硬度維持在0.44mmol/L，在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置發(fā)揮了巨大作用。

2 運(yùn)行過程中使用的新創(chuàng)新

2.1 旁路凈化系統(tǒng)

太古高溫網(wǎng)運(yùn)行的前兩個(gè)采暖季，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)黑色粉末雜質(zhì)較多，對(duì)水泵機(jī)械密封損害較大，且容易堵塞板換影響換熱效果。為解決上述問題，擬試用循環(huán)水旁路凈化系統(tǒng)。經(jīng)過公司、廠家及施工單位多方溝通，在二號(hào)泵站系統(tǒng)I、II回水1＃除污器出口分別安裝1套循環(huán)水旁路凈化系統(tǒng)。

其工藝直接在循環(huán)系統(tǒng)回水管網(wǎng)除污器之后管道進(jìn)行旁通設(shè)置，讓系統(tǒng)雜質(zhì)以旁通形式進(jìn)入旁流凈化系統(tǒng)。經(jīng)過凈化系統(tǒng)處理后的潔凈水再流入循環(huán)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)整體凈化。

根據(jù)長輸管線的設(shè)計(jì)參數(shù)：流量15000t/h、回水溫度50℃、壓力2.5MPa。循環(huán)水旁路凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范選取循環(huán)水量的1%作為旁路凈化水量，設(shè)計(jì)參數(shù)：處理水量150t/h、耐溫80℃、設(shè)計(jì)壓力2.5MPa、過濾精度20um。

2018年10月太古熱網(wǎng)開始冷態(tài)聯(lián)動(dòng)試運(yùn)行，調(diào)試并啟動(dòng)循環(huán)水旁路凈化系統(tǒng)，高溫網(wǎng)冷運(yùn)持續(xù)5d，期間取旁路凈化系統(tǒng)前后水樣如圖4所示。可以看出過濾后的水質(zhì)較過濾前明顯清澈。

圖4 過濾前后水質(zhì)對(duì)比

高溫網(wǎng)冷運(yùn)結(jié)束后，打開過濾罐，清洗過濾袋。發(fā)現(xiàn)過濾袋內(nèi)黑色雜質(zhì)較多，過濾罐底部有部分黑色雜質(zhì)，如圖5所示。

圖5 過濾后設(shè)備內(nèi)部情況

循環(huán)水旁路凈化系統(tǒng)投運(yùn)至今以來，長輸管線系統(tǒng)內(nèi)部的水質(zhì)情況逐步改善。

2.2 螺旋除污器

太古供熱項(xiàng)目2017～2018采暖季臨近停熱時(shí)進(jìn)行了升流量試驗(yàn)，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，發(fā)現(xiàn)中繼能源站板換的一級(jí)側(cè)堵塞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，其中二車間堵塞更加明顯。2017～2018采暖季結(jié)束之后需要對(duì)堵塞的板換進(jìn)行清理，大致有50%的板換堵塞嚴(yán)重需要進(jìn)行清理，工作量十分巨大。2018～2019采暖季整體工況將達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，為了保證中繼能源站一級(jí)網(wǎng)側(cè)板換不再發(fā)生大面積堵塞情況，使得板換能夠有較好的換熱能力，根據(jù)目前現(xiàn)有的一級(jí)網(wǎng)除污器情況，在中繼能源站板換的一級(jí)網(wǎng)側(cè)管道加裝10臺(tái)螺旋微泡除污裝置，可以起到對(duì)現(xiàn)有經(jīng)過一級(jí)網(wǎng)除污器的回水進(jìn)行二次除污器，提高一級(jí)網(wǎng)側(cè)去除各類細(xì)小顆粒雜質(zhì)的能力。

中繼能源站有兩個(gè)車間，每個(gè)車間設(shè)置了45臺(tái)板換，每三臺(tái)板換串聯(lián)為一組，每三組板換并聯(lián)為一個(gè)陣列，即一個(gè)車間有5個(gè)陣列板換，按照一個(gè)陣列加裝一臺(tái)螺旋微泡除污的方式配備。

圖6 螺旋除污器外部尺寸圖

除污器濾網(wǎng)濾芯直徑80mm，濾芯是通過18到22個(gè)7×12mm的長方形螺旋編制組成（見圖6）。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，絲網(wǎng)編織芯體能夠起到捕捉微小顆粒和氣泡的作用。流經(jīng)除污器的顆粒和微小氣泡會(huì)被芯體捕捉到，在浮力和重力的作用下，微小氣泡上升到頂部的集氣空腔、微小顆粒下降到腔體下部的收集區(qū)域，顆粒通過下部排污閥排出，氣泡則通過上部排氣閥排出系統(tǒng)。

加裝螺旋除污器改造工程有效的緩解一級(jí)網(wǎng)板換堵塞情況，極大的改善供暖季一級(jí)網(wǎng)的換熱效率，避免因?yàn)槎啻尾鹣窗鍝Q導(dǎo)致板換壽命加速降低的情況發(fā)生。

3 結(jié)語

截止目前太古熱網(wǎng)以平穩(wěn)運(yùn)行6個(gè)采暖季，熱網(wǎng)實(shí)際供熱面積已達(dá)到設(shè)計(jì)供熱面積，為十家用熱單位提供熱源，供熱面積占太原市總供熱面積的1/3，面積大，范圍廣，供熱運(yùn)行參數(shù)較高，對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求高。

太古供熱項(xiàng)目具有強(qiáng)大供熱能力，致使項(xiàng)目的管理責(zé)任巨大。項(xiàng)目的平穩(wěn)運(yùn)行是每一個(gè)運(yùn)行人員的工作目標(biāo)。項(xiàng)目運(yùn)行過程中，有一個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常都可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響，水質(zhì)管理也就成為了一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容。