超（超）臨界機組凝結水精處理系統的方案配置

吳怡衛

（江蘇省電力設計院，江蘇南京211102）

大容量超（超）臨界機組具有機組效率高、污染物排放少的優點，是我國鼓勵發展的發電技術之一。但超（超）臨界機組對水汽質量提出了更高的要求，為保證機組的水汽品質，確保機組的安全、可靠運行，根據《大中型火力發電廠設計規范》（以下簡稱《規范》），必須設置有效的凝結水精處理系統。

1 給水水質控制要求及給水處理方式

水的臨界點為22.12 MPa，374.15℃，電力工業中將主蒸汽壓力大于22.12 MPa的機組稱為超臨界機組，而習慣上又將主蒸汽壓力大于27 MPa的機組稱為高效超臨界機組或超超臨界機組[1]。

最新版的《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》（GB/T12145—2008）規定的超臨界機組和亞臨界機組的水汽質量標準如表1、表2和表3所示。

表1 鍋爐給水質量標準

可見，與亞臨界機組相比，超（超）臨界機組對水汽品質的要求更為苛刻，尤其是對二氧化硅、鐵、銅等指標的要求明顯提高，因此超（超）臨界機組凝結水精處理系統對除鐵和除硅功能的要求更高，而為了保證水汽系統中銅含量合格，熱力系統采用無銅系統是必要的。

根據超（超）臨界機組的汽水質量要求和直流爐的運行特性，其給水處理方式主要有全揮發性處理（AVT）和加氧處理（OT）2種方式。由于AVT方式的防腐、防垢效果不夠理想，所以直流爐設計多采用加氧處理，并且推薦采用加氨加氧的聯合處理方式（CWT）。

表2 蒸汽質量標準

表3 凝結水除鹽后的水質標準

2 超（超）臨界機組的凝結水精處理方案

凝結水精處理主要有去除懸浮物（包括除鐵和除銅）和除鹽2個功能，其設備可以分為3大類[2]：（1）過濾設備，包括管式過濾器、電磁除鐵過濾器、砂濾器等；（2）除鹽設備，包括混床、陽床和陰床；（3）過濾除鹽設備，粉末樹脂過濾器。

如前所述，超臨界機組的凝結水精處理系統除了常規亞臨界機組的除鹽功能外，還需要顯著加強對鐵的去除。

已有的運行實踐表明，超臨界機組采用單混床精處理方案，盡管其出水氫導電率可以滿足要求，但除鐵效果無論是在啟動階段還是正常運行階段都難以滿足超臨界機組的水質要求[3]，因此，在單混床精處理系統前增加除鐵設施是必要的。同樣當精處理系統采用陽—陰分床精處理方案時也應設置前置除鐵設施，可以保證機組啟動初期盡快投入離子除鹽設備，縮短機組啟動時間，防止樹脂的鐵污染。

對于直接空冷機組而言，由于沒有循環冷卻水，凝結水含鹽量主要來自于鍋爐補給水，凝結水的含鹽量較低，因此直接空冷機組的凝結水精處理關鍵是除鐵，其次是除鹽。根據《規范》，結合近期國內外凝結水處理技術的發展，適合1000MW超（超）臨界機組的凝結水精處理系統主要以下幾種。

2.1 前置過濾器＋混床系統

每臺1000MW機組設置2臺50%的前置過濾器和4臺33%的高速混床，該方案是1000MW超超臨界機組的凝結水精處理系統的主流配置方案，國內已投運的1000MW機組如華能玉環電廠、華電鄒縣電廠、國電泰州電廠、國電北侖港、華能海門等電廠均采用該方案。根據2009年限額設計2×1000MW機組共用1套再生單元的凝結水精處理設備投資2020 萬元。

由于電磁除鐵過濾器的除鐵效果不是很穩定，其對加氧處理生成的非磁性Fe2O3根本無法去除，因此對于加氧運行的機組不能選用電磁過濾器。前置過濾器一般選用纏繞式濾元或折疊式濾元，早期多選用纏繞式濾元，但由于其過濾精度不高，出水水質不好，故逐漸為過濾精度高、反洗效果好、運行周期長、運行壓差小的折疊式濾元所代替。

再生單元有2種配置方案，一是每臺機組配備1套再生單元，二是2臺機組共用1套再生單元，同時增設1臺樹脂貯存罐和1套樹脂（共10套精處理樹脂）。再生單元采用高分離樹脂再生技術，如高塔分離技術、錐斗分離技術。

機組啟動初期，凝結水含鐵量超過1000μg/L時，不進入凝結水精處理混床系統，僅投入前置過濾器。機組正常運行時，2臺前置過濾器同時運行，當1臺前置過濾器退出時可開啟2臺前置過濾器中間設置的50%旁路閥。前置過濾器系統設計有100%的隔離旁路。混床為3臺運行，1臺備用。混床系統設有100%旁路門，當凝結水溫度較高或混床系統壓差較大時自動打開。

2.2 前置陽床＋混床系統

每臺1000MW機組設置3臺33%的前置陽床和4臺33%的高速混床，該方案在國內1000MW機組尚未投運。黃埔電廠2×300MW機組在上個世紀末采用了前置陽床＋混床的方案，該方案在英國是廣泛應用的凝結水處理方案，也是核電機組的主流配置方案，國內的秦山一期核電廠、秦山二期核電廠、田灣核電等均采用該方案。2×1000MW機組的凝結水精處理設備投資大約2120 萬元。

由于前置陽床的存在，該系統混床的進水為中性或微酸性，工作中的反離子大大減少，在相同的雜質離子含量下，運行周期延長，出水質量比前置過濾器＋混床系統略好[3]。而且高速混床工作在中性或微酸性狀態下，更有利于去除溶解狀態的鐵離子，對整個系統的除鐵效果會有進一步的提高[3]。

該系統混床再生單元的設置與前置過濾器＋混床系統相同，此外還需要設置1套陽床再生單元，因此系統較為復雜，占地面積也較大。該系統的運行阻力也比前置過濾器+混床系統要高。

2.3 前置過濾器＋陽床＋陰床系統

每臺1000MW機組設2×50%前置過濾器+4×33%高速陽床+4×33%高速陰床，2臺機組共用1套陰、陽樹脂體外再生裝置。2×1000MW機組的凝結水精處理設備投資大約2800 萬元。

該系統由于陰、陽床有足夠高的樹脂層，樹脂的裝載量大，故運行周期較長，適合于循環水含鹽量較高的機組；與混床系統相比分床應用的最大優勢在于沒有樹脂混合和再生前的樹脂分離，故不存在樹脂交叉污染，因此分床系統可以獲得持續且穩定的出水水質，氫電導率一般可以維持在0.15μS/cm以下[4，5]。分床系統的另一優勢是可以利用陽樹脂耐溫性能好的優點，當凝結水溫度較高時可以旁路陰床僅投運陽床對凝結水進行處理，因此該系統也適合于凝結水溫較高的直接空冷機組的凝結水處理，是大型直接空冷機組的常用方案之一，華能上安2×600MW超臨界空冷機組即采用該方案。

該系統在國內濕冷機組上使用的業績較少，天津楊柳青2×300MW亞臨界機組采用低壓陽—陰分床后加Ⅱ級陽床系統，出水電導率小于0.10μS/cm，出水水質良好。

陽床、陰床投運前需進行徹底沖洗，以防止樹脂再生殘留的酸堿再生液進入機組。為了降低陽陰床投運前的樹脂沖洗水量，需將分開設計的陽床再循環系統和陰床再循環系統合二為一，即從陰床出口母管經再循環泵后重新引至陽床入口母管[4]，或者采用陽陰床串聯的形式，組成4個陰陽床單元，每個單元設置1臺再循環泵。

2.4 粉末樹脂覆蓋過濾器系統

每臺1000MW機組設3×50%粉末樹脂覆蓋過濾器，并配備1套鋪膜系統。該方案屬成熟技術，具有系統簡單，運行阻力小，不需要再生設備，節約占地，節省投資的優點。2臺1000MW機組的凝結水精處理設備投資大約1250 萬元。

粉末樹脂過濾器既解決了機組啟動期間的過濾問題，也解決了除鹽、除硅問題[2]。但該方案一次鋪膜量有限，約為深層混床樹脂裝填量的1/20，因此粉末樹脂過濾器的化學除鹽作用是很小的[6]，一旦凝汽器泄漏，粉末樹脂過濾器運行阻力上升及離子穿透過快，無法維持濕冷超（超）臨界直流鍋爐機組要求的水汽品質。由于直接空冷機組的凝結水含鹽量較小，機組對精處理系統的除鹽功能要求較低，所以該系統可以在直接空冷機組中使用，如國內的大同二期、內蒙上都、華能銅川等600MW直接空冷機組。

根據最近的調研，由于粉末樹脂凝結水精處理系統的機組所發生的汽輪機腐蝕積鹽問題較多，而且粉末樹脂凝結水精處理系統對降低出水的含鈉量效果不高[7]，因此該系統難以保證超（超）臨界直流機組的水汽品質。

2.5 粉末樹脂覆蓋過濾器＋混床系統

由于單純的粉末樹脂過濾器難以保證大型超（超）臨界機組的水汽質量，于是產生了粉末樹脂覆蓋過濾器＋混床精處理系統，即在粉末樹脂過濾器后加高速混床以進一步降低粉末樹脂過濾器出水含鹽量，提高系統的出水水質，保證大型超（超）臨界機組的安全運行。

該系統典型配置是每臺1000MW機組設置3×50%粉末樹脂覆蓋過濾器+4×33%高速混床，每臺機組配備1套鋪膜系統，2臺機組共用1套再生單元，2臺機組的凝結水精處理設備投資大約3000 萬元。

在機組啟動時該系統過濾器可以僅鋪纖維粉用于除鐵，也可鋪陽、陰混合樹脂粉和纖維粉用于除鐵、除鹽；機組正常運行且凝結水溫較低時，投運粉末樹脂覆蓋過濾器及混床裝置，前者鋪纖維粉用于除鐵，后者用于除鹽；機組正常運行且凝結水溫較高時，粉末樹脂覆蓋過濾器鋪涂陽、陰混合樹脂粉與纖維粉的混合濾料，也可以根據水溫情況只鋪涂陽樹脂粉與纖維粉的混合濾料，起到一定的除鹽效果，混床裝置被旁路。因此該系統綜合了粉末樹脂覆蓋過濾器和混床裝置各自的優點，具有出水水質好、運行靈活、適應性強的特點。

3 凝結水精處理方案適用性

3.1 前置過濾器＋混床系統

該系統的出水水質比分床系統略好，出水完全可以滿足超（超）臨界機組的水質要求，與前置過濾器+陽床+陰床系統、前置陽床+混床系統相比，該系統的運行阻力小，管理的設備數量少，占地面積小，運行操作簡單，因而是大型超(超)臨界濕冷機組凝結水處理系統的優先選擇方案。

3.2 前置陽床＋混床系統

該系統由于前置陽床的存在，混床的運行周期延長，其出水質量也比前置過濾器＋混床系統略好，完全可以滿足超（超）臨界機組的水質要求，因而該系統是大型超（超）臨界濕冷機組凝結水處理系統值得推薦的方案，尤其是循環水含鹽量較高的濕冷機組，如采用海水冷卻的機組。而且由于陽樹脂的耐溫性好，所以該系統也可用在凝結水溫較高的直接空冷機組上。但該系統與前置過濾＋混床系統相比，系統復雜且占地面積較大，凝結水系統的阻力也較大。

3.3 前置過濾器＋陽床＋陰床系統

該系統的出水水質穩定、優良，可以滿足超（超）臨界機組的水質要求，而且系統的運行周期較長，故適合于循環水含鹽量較高的機組，如海水冷卻機組。由于分床系統的陽樹脂耐溫性能較好，運行中當凝結水溫度較高時可以僅投運陽床對凝結水進行處理，因此該系統也適合于凝結水溫度較高的直接空冷機組的凝結水處理，是1000MW直接空冷機組值得推薦的精處理方案。該系統的主要缺點是設備數量較多，占地面積較大，運行阻力較高。

3.4 粉末樹脂覆蓋過濾器系統

粉末樹脂覆蓋過濾器的一次鋪膜量有限，除鹽作用非常有限，因此該機組必須使用在冷卻水含鹽量很低、凝汽器管材非常嚴密的濕冷機組或直接空冷機組。該系統運行費用昂貴，出水水質難以完全滿足超（超）臨界機組的水質要求，因此該系統不宜作為1000MW級大型超（超）臨界機組的凝結水精處理系統方案。

從環保性能來講，該系統存在著難以處理的廢棄樹脂問題，廢樹脂的拋棄將對環境造成威脅，而且粉末樹脂的生產過程中會產生大量的污染物質，所以該方案的整體環保性較差。

3.5 粉末樹脂覆蓋過濾器+混床系統

如前所述，該系統的出水水質可以滿足超（超）臨界機組的要求，而且系統運行方式靈活，適應性強，可以適用于大型超（超）臨界濕冷機組和直接空冷機組，是1000MW超（超）臨界直接空冷機組凝結水處理系統的優先選擇方案。國外核電站也有采用該系統的，運行效果良好[8]。

4 凝結水精處理需進一步研究的問題

4.1 應積極推廣大直徑精處理除鹽設備的應用

國內1000MW機組精處理混床基本按照4×33%凝結水處理量來進行配置，即每臺機組設置4臺D3000 或D3200 的混床，采用該方案的主要原因是考慮國內制造廠商尚無大直徑混床投運以及擔心大直徑混床的“偏流”問題。但該配置方案也有明顯的缺點：設備臺數多，占地面積較大，運行維護復雜，系統備用量偏小，投資費用也偏高。

根據調研，隨著我國精處理技術的快速發展，國內大型水處理公司已經具備大直徑除鹽設備的生產能力，也有能力解決大直徑除鹽設備的“偏流”等問題。國外水處理公司已有大直徑精處理除鹽設備的應用，如英國KENNICOTT公司為廣東大亞灣和嶺澳核電站1000MW機組中供應了4套設備直徑為DN3800 的前置陽床+混床系統，運行正常。因此，從技術上講采用大直徑除鹽設備是可行的。

基于以上原因，建議相關單位積極推進大直徑（D≥3600mm）的精處理除鹽設備的使用，將大容量機組的精處理設備配置由4×33%（1000MW級機組）或者5×25%（1200MW級機組）模式改變為3×50%模式，降低電廠的投資，同時提高我國的制造裝備能力。

4.2 積極推進精處理電除鹽的研究

現階段精處理的除鹽技術均是基于離子交換原理，即通過顆粒狀或者粉末狀的陽樹脂、陰樹脂與凝結水中的陽、陰離子進行交換而達到除鹽的目的。失效后的顆粒狀樹脂通過酸堿再生液進行再生，該過程需要消耗酸堿，同時排放出酸堿廢水，存在著污染環境的可能。另外混床每隔一段時間需要再生，運行維護工作量也較大。而當混床運行時，可能會由于樹脂再生不徹底、混床投運前沖洗不干凈，或者運行時監督不到位引起系統硫酸根或氯根超標，導致混床又成為一個污染源。

與混床系統相比，電除鹽（EDI）系統出水水質穩定、優良，不需要每隔一段時間再生一次，不會產生對熱力系統的二次污染問題，基本不會產生酸堿廢水，是一種綠色的水處理工藝，電除鹽方案現已在國內的多個大型機組的鍋爐補給水處理系統中使用，總體使用情況良好，但國內尚未在精處理系統中使用。電除鹽技術在精處理系統中使用的關鍵是如何適應凝結水高壓（2.8～4.2 MPa）和高溫（55℃）的特殊工況以及解決現階段電除鹽裝置造價偏高的問題。但基于電除鹽技術的顯著優點以及其造價逐年顯著降低的趨勢，應積極推進電除鹽技術在凝結水精處理系統中的使用研究。

5 結束語

1000MW超（超）臨界機組對水汽質量提出了更高的要求，為了保證大容量機組的安全運行，必須設置完善的凝結水精處理系統。

凝結水精處理系統的選擇應結合機組運行方式、機組冷卻方式、循環冷卻水水質、凝汽器管材以及爐內處理工況等因素，經過技術經濟綜合比較后確定。

對于1000MW超臨界濕冷機組，凝結水精處理系統宜采用前置過濾+混床系統、前置陽床+混床系統、前置過濾+陽陰分床系統，避免選用裸混床和粉末樹脂過濾器系統；對于直接空冷機組，可選擇粉末樹脂過濾器+混床系統、前置過濾+陽陰分床系統，避免選用粉末樹脂過濾器系統。

建議相關部門積極推進D≥3600mm的大直徑混床的使用以及精處理電除鹽新型技術的研究，以提高我國凝結水精處理的水平，為我國1000MW及以上機組的安全運行提供保證。

[1] 烏若思.超超臨界發電技術研究與應用[J].中國電力，2006（6）：34-37.

[2] 張富禮，謝靜祥.凝結水精處理系統的合理選擇[J].中國電力，2001（11）：17-19.

[3] 陳戎，沈保中.超臨界機組汽水優化控制[C].超超臨界協作網第一屆年會文集，2005.

[4] 李志成，王應高.分床精處理系統在直接空冷機組中的應用[J].熱力發電，2008（5）：74-76.

[5] 王仁雷，劉托民,馬東偉，等.前置過濾器+分床精處理系統在超臨界空冷機組的應用[J].電站系統工程，2009（1）：51-52，63.

[6] 韓隸傳.粉末樹脂覆蓋過濾器的機理和使用[J].熱力發電，2003（8）：61-62.

[7] 汪德良，李志剛,柯于進，等.超超臨界機組的水汽品質控制[C].超超臨界協作網第一屆年會文集，2005.

[8] 鮑英春.核電凝結水精處理[J].民營科技，2008（1）：29-30.