調(diào)相機外冷水系統(tǒng)結(jié)垢分析及改進研究

郝亞楠，李貴海，顏 慶，王 俊，郭 語

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

隨著特高壓電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)投產(chǎn)，我國電網(wǎng)“強直弱交”的特性愈發(fā)明顯，直流換流站送、受端無功支撐能力不足，電壓波動明顯，國家電網(wǎng)有限公司組織研發(fā)了新一代大型調(diào)相機。大型調(diào)相機具備暫動態(tài)特性優(yōu)、運行維護方便和安全可靠性高的特點，能夠通過強勵輸出大量無功功率起到快速恢復(fù)電壓的作用，可以提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和承受極端事件能力以及提升跨區(qū)輸電能力和新能源消納能力［1-5］。300 Mvar 調(diào)相機正常運行時產(chǎn)熱功率約為4 200 kW，為保證機組正常運行，需要將熱量導(dǎo)出，通常選用水作為換熱介質(zhì)。水的比熱容大，吸收相同的熱量，水溫度升高得慢，同時水價格低廉、易獲取，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。在我國中東部地區(qū)水資源較為豐沛，受端電網(wǎng)裝設(shè)的調(diào)相機冷卻系統(tǒng)多為開式外冷水系統(tǒng)。調(diào)相機及其附屬系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的熱量雖通過內(nèi)冷水換熱器、冷油器和空冷器作為中間環(huán)節(jié)換熱，但最終出口為外冷水。外冷水水質(zhì)穩(wěn)定是保證外冷水系統(tǒng)正常運行的重要前提［6］。因此，做好外冷水系統(tǒng)的防腐、防垢、防菌藻工作，對切實保證機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。

國內(nèi)某換流站300 Mvar 雙水內(nèi)冷型調(diào)相機，外冷水補充水為城市自來水，冷卻方式為母管制開式外冷水系統(tǒng)，采用添加阻垢緩蝕劑、殺菌滅藻劑，輔助定期排污的方式控制外冷水水質(zhì)，殺菌滅藻劑和緩蝕阻垢劑的加藥量由藥劑廠家和設(shè)計單位確定。2021 年，調(diào)相機年度檢修期間發(fā)現(xiàn)外冷水系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢、堵塞和藻類滋生等問題。

1 結(jié)垢、腐蝕和微生物滋生

1.1 結(jié)垢機理及危害

水中溶解有各種鹽類，如重碳酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽，其中溶解的重碳酸鹽如Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2最不穩(wěn)定，受熱分解CO2溢出，反應(yīng)向右進行，即分解生成碳酸鹽［7-9］，化學(xué)反應(yīng)如式（1）所示。

如水中溶有適量的磷酸鹽與鈣離子時，也將產(chǎn)生磷酸鈣的沉淀，化學(xué)反應(yīng)如式（2）所示。

常見的水垢組成為：碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣、鎂鹽、硅酸鹽。

主要危害有：污垢系數(shù)大大增加，降低傳熱效率或產(chǎn)生傳熱不均，導(dǎo)致設(shè)備換熱效果不佳或局部出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，影響設(shè)備運行；當(dāng)設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重，管徑變小，流體阻力變大，增加管線壓差及電力消耗；設(shè)備表面結(jié)垢形成覆蓋，降低阻垢緩蝕劑性能；結(jié)垢嚴(yán)重造成水路堵塞等嚴(yán)重后果時，增加非計劃性停機可能。

1.2 腐蝕機理及危害

外冷水系統(tǒng)中的腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕，也就是鋼材與水中氧氣作用而腐蝕；系統(tǒng)的懸浮物或黏泥在金屬表面容易形成斑點腐蝕，隨后由于氯離子的影響導(dǎo)致點蝕。另外，pH、溫度、流速、大氣污染物等也是影響腐蝕的因素［10-11］。

主要危害有：發(fā)生腐蝕會對設(shè)備造成較大損害，減少設(shè)備的使用壽命；腐蝕導(dǎo)致的跑冒滴漏等問題，增加設(shè)備維護及生產(chǎn)成本；持續(xù)的坑腐蝕或點腐蝕會導(dǎo)致設(shè)備穿孔造成難以維修而報廢；設(shè)備腐蝕產(chǎn)生安全隱患導(dǎo)致非計劃停機。

1.3 微生物問題

在外冷水系統(tǒng)中微生物的危害比水垢、電化學(xué)腐蝕的危害更勝一籌。微生物帶給系統(tǒng)的危害主要為污垢和腐蝕。敞開式外冷水系統(tǒng)中，由黏泥細(xì)菌引起的故障最多，其次則是由藻類、霉菌（絲狀菌）、球衣細(xì)菌（絲狀細(xì)菌）引起的故障［12-14］。

主要危害有：形成污垢沉淀，降低冷卻水的冷卻效果，增加能耗且影響運行；黏泥堵塞冷卻器，減小冷卻水通道的截面積，從而降低冷卻水的流量和冷卻效果；黏泥聚集在冷卻塔填料的表面或填料間，阻礙冷卻水通過，降低冷卻塔的冷卻效果；黏泥覆蓋在金屬表面，阻擋阻垢緩蝕劑到達金屬表面發(fā)揮其緩蝕與阻垢作用，阻礙殺菌滅藻劑殺滅黏泥中和黏泥下的微生物，降低藥劑的功效，加劇垢下腐蝕。

2 設(shè)備結(jié)垢腐蝕問題分析

2.1 外冷水水質(zhì)結(jié)垢性分析

外冷水系統(tǒng)的水質(zhì)受自身循環(huán)濃縮和城市自來水周期性補水所影響，對補充水（城市自來水）和外冷水（2022 年8 月及10 月）進行取樣化驗，開展循環(huán)水濃縮倍率試驗，結(jié)果如表1—表2 所示。

表1 補充水和外冷水檢測結(jié)果Table 1 Test results of industrial water and external cooling water

表2 濃縮倍率結(jié)果Table 2 Concentration ratio results

外冷水是否存在結(jié)垢傾向，通常用氯離子的濃縮倍率KCl與鈣離子的濃縮倍率KCa的差值ΔB表示，如式（3）所示。

根據(jù)發(fā)電企業(yè)循環(huán)水運行及化學(xué)監(jiān)督的經(jīng)驗看，循環(huán)水的總堿度一般控制在4.0～7.0 mmol/L，pH控制在8.4～8.8，ΔB值小于0.20，循環(huán)水系統(tǒng)不會發(fā)生腐蝕結(jié)垢［15］。

從表1 和表2 補充水和外冷水水質(zhì)檢測結(jié)果來看，該站調(diào)相機補充水的硬度和總堿度偏高。補充水在濃縮時，總堿度和硬度不斷升高，超過了碳酸鈣的溶解度，就會發(fā)生結(jié)垢。從該站外冷水的檢測結(jié)果看，堿度達到了10.0 mmol/L 左右，pH 達到了9.0以上，ΔB值遠超過了優(yōu)秀值0.2，8 月份ΔB為0.57，10 月份ΔB為1.06。從理論分析看，該站調(diào)相機外冷水已經(jīng)發(fā)生較嚴(yán)重的結(jié)垢。

2.2 阻垢緩蝕劑匹配性分析

外冷水系統(tǒng)運行時，根據(jù)水質(zhì)情況定期添加阻垢緩蝕劑和殺菌滅藻劑。同時根據(jù)外冷水的電導(dǎo)率值定期自動排污。根據(jù)2.1 節(jié)水質(zhì)分析得知外冷水已經(jīng)發(fā)生較為嚴(yán)重的結(jié)垢，為驗證阻垢緩蝕劑的性能，需要對添加的阻垢緩蝕劑與外冷水的匹配性進行研究。在外冷水的不同濃縮倍率下，通過開展調(diào)相機外冷水阻垢緩蝕劑性能試驗，計算阻垢率是否滿足要求，結(jié)果見表3—表4。阻垢率是指水中投加阻垢劑后，成垢離子被穩(wěn)定（抑制）在水中的百分率，計算公式如式（4）所示。

表3 外冷水阻垢性能試驗Table 3 Scale inhibition performance test of external cooling water

表4 不同濃縮倍率下阻垢率Table 4 Scale resistance at different enrichment rates

式中：Z為阻垢率。

從表3—表4 可以看出，該站外冷水在濃縮倍率2.0 左右時碳酸鈣達到了過飽和狀態(tài)，碳酸鈣已經(jīng)析出，而該站外冷水實際濃縮倍率在3.0 以上，從而導(dǎo)致外冷水系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象?？芍撜就饫渌到y(tǒng)采用的阻垢緩蝕劑和外冷水的水質(zhì)匹配效果不佳。

2.3 環(huán)境影響分析

2.3.1 風(fēng)沙、灰塵等進入

調(diào)相機外冷水系統(tǒng)為開式冷卻水，風(fēng)機頂部無隔網(wǎng)，水池周邊也無格柵，春秋季節(jié)風(fēng)沙和雜物易進入外冷水池，導(dǎo)致池底沉積泥沙較多，而后進入外冷水系統(tǒng)后形成污泥。水池不具備排污泥功能易導(dǎo)致池底污泥堆積，池水渾濁，對水泵和管路也會造成損傷，降低設(shè)備使用壽命。冷卻塔長期運行中，塑料、蟲草、散熱填料等異物進入冷卻塔水池，將堵塞濾網(wǎng)導(dǎo)致外冷水流量減少，在換熱器等流速較為緩慢的地方易形成水垢；雜物還會附著在攔污柵上，造成冷卻塔水池與前池連通不暢，存在液位差導(dǎo)致分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）后臺頻繁報警。

2.3.2 微生物滋生形成生物黏泥

冷卻塔水池處于未封閉狀態(tài)，且水池不具備自清潔以及水質(zhì)改善功能，冷卻塔水池中存在金屬離子、可溶性固體等累積。在經(jīng)過長期的陽光直射，擋水板、格柵蓋板、水池內(nèi)壁等處容易產(chǎn)生微生物繁殖、藻類滋生情況，致使水中的有機物黏泥超標(biāo)，黏泥附著在換熱器表面會影響換熱效率，同時加速金屬的腐蝕。外冷水系統(tǒng)運行時，采用定期投加殺菌滅藻劑的方式抑制菌藻類滋生。殺菌滅藻劑可分為氧化型和非氧化型。長期小劑量添加單一類型的殺菌滅藻劑，使得菌藻類產(chǎn)生了抗藥性，處理效果不佳，造成菌藻類形成生物黏泥。

綜上可知，該站外冷水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重，首要原因是所選用的阻垢緩蝕劑與外冷水不匹配；其次是外冷水系統(tǒng)為敞開式的運行方式，增加了塵土等雜質(zhì)進入水系統(tǒng)的概率；最后殺菌滅藻劑的添加方式和使用方法不合理，導(dǎo)致藻類滋生嚴(yán)重加劇了外冷水系統(tǒng)的腐蝕結(jié)垢。

3 外冷水系統(tǒng)改進措施

為解決外冷水系統(tǒng)的結(jié)垢、黏泥、微生物滋生等隱患，開展高效外冷水阻垢緩蝕劑篩選、性能評價工作，同時采取其他一些處理措施，以確保該站外冷水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行［16］。

3.1 高效外冷水阻垢劑篩選及應(yīng)用

3.1.1 高效阻垢劑篩選

選擇A、B 和C 三種阻垢緩蝕劑進行循環(huán)水阻垢緩蝕劑模擬試驗［17-18］，模擬試驗選擇與該站完全相同的運行方式，加藥質(zhì)量濃度調(diào)整為20 mg/L，濃縮倍率為3.0 時實驗結(jié)果見表5。

表5 外冷水阻垢劑篩選試驗Table 5 Selection test of scale inhibitors for external cooling water

由表5 可知，選擇的三種阻垢緩蝕劑在不加酸情況下，濃縮倍率3.0 時均能滿足外冷水的阻垢要求；阻垢劑B 的阻垢率最高，其效果相對較好。

3.1.2 高效阻垢劑應(yīng)用

高效阻垢劑的首次投加應(yīng)按照外冷水系統(tǒng)的保有水量進行計算，該站外冷水系統(tǒng)保有水量約為500 m3，首次投加質(zhì)量濃度為100 mg/L，阻垢劑投加量約為50 kg。

高效阻垢劑日常投加按照系統(tǒng)補水量進行計算，采取連續(xù)性投加方式，投加的阻垢劑質(zhì)量濃度為20～30 mg/L，阻垢劑投加量根據(jù)每天外冷水池的補水量進行動態(tài)調(diào)整。

3.2 調(diào)整殺菌滅藻劑的加藥方式

外冷水系統(tǒng)目前采用小流量持續(xù)添加阻垢劑和殺菌滅藻劑，該種加藥方式易導(dǎo)致菌藻類產(chǎn)生抗藥性，殺菌效果變差。加藥方式調(diào)整為定期大劑量投加，其殺菌效果更佳，為避免同時添加阻垢劑和殺菌劑產(chǎn)生大量泡沫溢出外冷水池，投加殺菌滅藻劑時，應(yīng)暫時停止投加阻垢劑，關(guān)閉排污循環(huán)運行24 h。當(dāng)濁度（溶液對光線通過時所產(chǎn)生的阻礙程度）增加至最大時，應(yīng)加大排污置換循環(huán)水至濁度＜10 NTU，再補加緩蝕阻垢劑；當(dāng)投加殺菌滅藻劑時應(yīng)適當(dāng)降低補水量，以達到提高藥劑濃度、充分發(fā)揮藥效的目的?？刂坪猛饫渌粘Ｖ笜?biāo)，對于保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行也是十分有效的。根據(jù)該站的水質(zhì)情況及GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》中對循環(huán)水水質(zhì)的要求，運行時控制外冷水質(zhì)的pH在7.0～9.2，電導(dǎo)率小于2 000 μS/cm，濃縮倍率控制在3.0～3.3。

3.3 外冷水系統(tǒng)圍閉改造

針對沙塵和雜物進入外冷水系統(tǒng)，該站在檢修期間采取在冷卻塔進風(fēng)口加裝格柵，出風(fēng)口加裝網(wǎng)罩等措施進行物理圍蔽，減少塔內(nèi)陽光直射，減緩藻類滋生，減少雜物進入冷卻塔水池，如圖1—圖2所示。

圖1 冷卻塔進風(fēng)口增加格柵Fig.1 Add grille to the air inlet of the cooling tower

圖2 冷卻塔出風(fēng)口增加網(wǎng)罩Fig.2 Add a mesh cover to the air outlet of the cooling tower

3.4 建議后續(xù)深度處理措施

為提高外冷水的水質(zhì)、減少外冷水排污量，從冷卻塔水池取一路水進行旁濾處理。旁濾處理系統(tǒng)包括旁流砂濾、超濾（或活性炭）、反滲透（一級兩段）。旁濾處理系統(tǒng)可有效減少灰塵和沙粒等異物進入開式外冷水系統(tǒng)，降低外冷水的濁度，去除水中的懸浮物。當(dāng)砂濾運行壓差偏高時，砂濾系統(tǒng)可以自動反沖洗，延長使用壽命。反滲透裝置可去除外冷水中結(jié)垢性成分，大幅提高外冷水的濃縮倍率，有利于節(jié)水。旁濾處理系統(tǒng)產(chǎn)生的潔凈水回到外冷水系統(tǒng)，而濃水排放，濃水排放量和蒸發(fā)量之和等于補充水補充量。增設(shè)旁濾處理系統(tǒng)可大幅度節(jié)約阻垢緩蝕劑的用藥量。根據(jù)該站外冷水系統(tǒng)循環(huán)水量、蒸發(fā)量、排污量等計算，冬季每天處理60 m3、夏季每天處理100 m3可保證外冷水水質(zhì)穩(wěn)定［19-20］。

除加裝旁濾處理系統(tǒng)外，由于該站地處北方，風(fēng)沙較大、陽光照射造成藻類滋生，形成生物黏泥會在冷卻塔底部和前池沉積。在外冷水前池和冷卻塔底部加裝污泥排污泵，定期開啟污泥排污泵，可減少污泥在外冷水系統(tǒng)的沉積。旁流砂濾處理措施側(cè)重于去除外冷水中懸浮的雜質(zhì)，排污泵排泥措施側(cè)重于風(fēng)沙污泥堆積后的治理。

4 應(yīng)用效果

更換高效阻垢緩蝕劑，通過水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)外冷水水質(zhì)大幅提升，結(jié)垢傾向下降，濃縮倍率由2.0～3.0 提高至3.0～4.0，排污量減少約30%，污泥量減少1/3，降低了運維費用（水處理藥劑費用降為原來的50%～70%）。

調(diào)整殺菌滅藻劑加藥方式，并對外冷水系統(tǒng)進行圍蔽改造后，其外冷水池藻類滋生問題也得到了極大改善。

年度檢修時，對外冷水系統(tǒng)進行了檢查，發(fā)現(xiàn)外冷水設(shè)備狀況運行工況穩(wěn)定，定轉(zhuǎn)子冷卻器、冷油器、閥門、冷卻塔等狀況良好，只有少量軟泥，無硬垢，如圖3—圖4 所示。

圖3 冷卻器、冷油器結(jié)垢情況Fig.3 Improvement of scaling in coolers and oil coolers

圖4 冷卻器管前后對比Fig.4 Comparison of cooler tubes before and after

5 結(jié)束語

針對外冷水系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢、微生物滋生等問題，通過分析水質(zhì)、阻垢緩蝕劑性能試驗等結(jié)果，采取一系列解決提升措施，通過藥劑篩選更換高性能阻垢緩蝕劑，調(diào)整殺菌滅藻劑的種類及加藥方式，并對外冷水系統(tǒng)進行圍蔽改造。經(jīng)過一年的運行后發(fā)現(xiàn)外冷水系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕、藻類滋生問題大幅改善。雖然采用高效阻垢緩蝕劑處理外冷水可減少系統(tǒng)的結(jié)垢和黏泥的產(chǎn)生，但要根治外冷水系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢和微生物滋生問題，提高外冷水的水質(zhì)、減少外冷水排污量，還需要對外冷水進行深度處理。建議對外冷水系統(tǒng)加裝旁濾設(shè)備和完善排泥措施，實現(xiàn)外冷水水質(zhì)提升和減少排污。

下一步將研究在外冷水系統(tǒng)加裝電化學(xué)集成系統(tǒng)（集防腐蝕、防結(jié)垢、殺菌滅藻、零排放為一體的水處理系統(tǒng)），在保證機組安全穩(wěn)定運行的前提下，避免藥劑使用，減少系統(tǒng)藻類滋生，優(yōu)化水資源利用率，將外冷水濃縮倍率提高至5～10，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。