供熱機組水汽系統有機物行為的研究

王國蓉

(望亭發電廠，江蘇 蘇州 215155)

供熱機組水汽系統有機物行為的研究

王國蓉

(望亭發電廠，江蘇 蘇州 215155)

隨著大容量、高參數機組成為發電助理機組，純發電的大中型機組面臨巨大的經營壓力，對其進行供熱改造提升經濟效益具有重大的意義。供熱改造后由于補水量的增大，給水有機物對機組水汽品質的影響就顯得更加突出。從爐外水處理系統到爐內水汽系統對有機物行為進行研究，探討系統各階段有機物的去除效果、有機物對水汽品質的影響以及對鍋爐受熱面腐蝕的作用，為供熱機組水處理系統的改進提出建議。

大中型機組；供熱；水汽系統；有機物；腐蝕

1 設備現狀

國內裝機容量快速增長，火電機組利用小時數逐年降低，純發電的大中型機組面臨巨大的經營壓力。在我國宏觀經濟下行壓力較大的背景下，火電機組利用小時數或將繼續下降。采取“以熱定電”方式運行的供熱機組的發電設備利用小時數一般更有保障，在國家關停一批小火電后，熱電聯產項目在尚未按合理供熱半徑布局到位的前提下，有明顯的供熱區域空間可以利用；同時，現有大中型燃煤機組一般處在中心城市邊緣且在有效供熱半徑內，進行集中供熱具有明顯的區位優勢，比新投資建設熱電項目更節省投資。改造后實現熱電聯產，可以充分利用現有設備，淘汰落后產能，針對當前環境污染日益嚴重的局面，既節能，又環保，具有良好示范作用。

然而，對于以地表水為補給水的機組而言，因為供熱帶來的補給水量大幅上升，由補給水帶入水汽系統的有機物對水汽品質的影響以及對設備的腐蝕等影響就成為了一個需要高度重視的問題。

2 有機物對機組設備的影響

TOC是表示水中所有有機物污染物的總碳含量，是評價水中有機物污染的綜合指標[1]。有機物在高溫高壓蒸汽中被分解為RCOOH，CO2和H2O，最普遍的分解產物為HCOOH和CH3COOH。這類低分子有機酸作為去極化劑，對加快機組受熱面的腐蝕以及汽輪機葉片的腐蝕作用非常顯著。國際汽輪機制造組織的專家已經發現了單純二氧化碳造成的汽輪機腐蝕事故的案例。有機酸與鐵形成的腐蝕產物還可以加快氯誘導應力腐蝕。

有機物對機組水汽系統品質的影響也是比較顯著的。以望亭發電廠660 MW機組為例，進行供熱改造前后給水及蒸汽的氫導有明顯的上升，同時水汽銅鐵含量也有一定的劣化趨勢，可見，因補水帶入系統的有機物對機組設備的腐蝕具有明顯的負面作用。

3 設備概況

望亭發電廠供熱機組為1×310 MW，1×330 MW，2×660 MW燃煤機組，其中#11機組為310 MW，#14機組為330 MW，是亞臨界汽包爐燃煤機組；#3，#4機組為660 MW超超臨界直流爐燃煤機組。

化學補給水的水源為望虞河水，凈水系統流程為：進水水源→原水升壓泵→沉淀池→濾池→綜合清水池。供熱機組化學補給水處理設備系統為：超濾、反滲透、一級除鹽和混床。超濾裝置出力為6×223 t/h，反滲透裝置出力為6×150 t/h，除鹽設備出力為6×150 t/h。

4臺供熱機組給水均采用加氨的氧化性全揮發處理。#11，#14機組爐內采用低磷酸鹽處理。每臺機組的汽、水監督各配備1套集中取樣裝置。

4 有機物在爐外水處理系統中的行為分析

4.1 有機物在補給水系統中的行為

望亭發電廠供熱機組水汽系統中的TOC主要來源于化學補給水，但其根本來源于電廠的補給水原水——太湖水。近年來，太湖周邊地區工業發展速度較快，隨之而來的太湖水源污染問題也日益突出，太湖水質每況愈下，主要呈現為水體有機物含量高。針對這一問題，電廠化學補給水處理系統設計采用預處理+超濾+反滲透+二級離子交換除鹽的處理工藝。隨著膜技術的不斷發展，其在水處理工藝中的運用也逐漸得到推廣，特別是反滲透具有良好的脫鹽率和對有機物有較高的去除效果。在正常情況下，水中TOC質量濃度一般小于15 mg/L，在大多數原水中其質量濃度為3～7 mg/L，相對分子質量大于200的有機化合物都可以很好地被返滲透去除，所以使其經濟性尤為突出。但是反滲透膜是一種緊密度很高的分離物質，對進水有較高的要求，大量實際運行經驗證明，為了維持反滲透裝置的高脫鹽和透水能力，必須合理地控制運行條件。

表1 補給水水處理各階段TOC含量及去除率

4.2 補給水TOC分布及處理

望亭發電廠采用超濾裝置作為反滲透的預處理，可有效地去除水中大部分的懸浮物、膠體、病毒、細菌等雜質，確保反滲透進水污染指數(SDI)合格。僅從TOC指標來看，炭床、超濾裝置和反滲透裝置對有機物的去除率分別為7.8%，3.3%和96.2%。這是由于超濾進水是經過混凝澄清和過濾處理的清水，大部分的高分子有機物都已經去除，水質中有機物分布主要集中在低分子有機物。超濾裝置對低分子有機物沒有截留能力，而反滲透裝置能將相對分子量大于200的有機物全部去除。圖1、圖2所示為補給水系統各測點TOC含量及TOC去除率分布情況。

圖1 望亭發電廠供熱機組化學補給水系統TOC含量分布

圖2 望亭發電廠化學補給水系統TOC去除率分布

望亭發電廠補給水處理系統各測點的TOC含量及設備的有機物去除效率，見表1。

由表1可知，給水TOC含量控制在較低水平，完全滿足機組用水要求。但考慮到機組供熱后，補水量上升到供熱前的5～6倍以上，盡管有機物含量達到國標標準[2]，但帶入系統的有機物總量給機組帶來的影響仍不容忽視。

續表

表2 有機物在各取樣點分析數據統計 μg/kg

4.3 水中TOC對補給水系統的影響

如圖2所示，在補給水處理系統中，有機物去除的最主要設備是反滲透裝置。根據相關資料顯示，就天然水體而言，反滲透系統存在潛在有機垢趨勢的粗略判斷標準為：TOC大于3 mg/L，生化需氧量(BOD)大于5 mg/L或者化學需氧量(COD)大于8 mg/L。望亭發電廠補給水系統經過混凝澄清及沉淀過濾等預處理后，工業水(超濾裝置進水)的有機物質量濃度在3～7 mg/L。從原水有機物含量來看，反滲透膜仍存在有機物污染及有機垢沉積的風險。為此，應在設備運行和維護上加強管理，加強對超濾及反滲透膜管的化學清洗，保證超濾透膜壓差在10 kPa以內,反滲透系統的脫鹽率在98%以上，進出口壓差控制在0.5 MPa以內。

活性炭過濾器對有機物的去除有比較明顯的效果，但活性炭過濾器的吸附容量有一定限制，要達到理想的去除有機物的效果，就要加強對活性炭過濾器的運行管理，包括定期的反洗以及及時的再生或更換。

在有機物基數比較大的情況下，保安過濾器對有機物也有較明顯的去除效果，特別是大分子有機物，所以在運行中要加強保安過濾器的反洗，以確保其發揮作用。

4.4 水中微生物對補給水系統的影響

在凈水處理系統中，盡管SDI合格，仍然有可能在反滲透膜表面形成大量黏泥狀生物膜，造成反滲透運行壓差增大，產水量下降并降低出水品質。同時，微生物膜不溶于酸，也難溶于堿，難以徹底清洗。為解決這個問題，在超濾裝置前添加非氧化性殺菌劑，結合氧化性殺菌劑，強化殺菌效果。但因為非氧化性殺菌劑本身是一種有機物的混合物，在殺菌的同時也提高了水中有機物的含量。

5 有機物在爐內行為分析

5.1 有機物在鍋內的分布情況

以望亭發電廠#3機組為例，爐內水汽系統各階段的水汽總碳(TC)、TOC和總無機碳(IC)的分析結果見表2，變化趨勢圖3所示。

從總有機碳含量曲線圖可以看出，給水中有機碳在除氧器出口至省煤器進口階段大量分解，有近一半含量的有機物分解成CO2。在省煤器至高溫過熱器出口階段，有機物繼續分解為CO2，但分解數量逐漸減少。總有機碳的減少，同時反映出分解生產的低分子有機酸與鐵反應形成腐蝕產物在鍋內沉積。

圖3 各取樣點碳含量變化趨勢

從總碳含量及無機碳含量趨勢圖可以看出，總碳含量同樣逐漸減少，CO2含量并未隨著有機物的分解而上升。由此可以推斷，分解形成的CO2與受熱面的鐵反應形成腐蝕產物在鍋內沉積，顯示出有機物對受熱面保護的負面影響。

5.2 有機物對水汽品質的影響

由于機組進行供熱改造，補給水量大幅上升，由補給水帶來的有機物總量也相應大幅上升。有機物在鍋內發生分解，產生低分子有機酸等物質，從而影響機組的水汽品質。從望亭發電廠#3機組供熱前后的氫導數據可以明顯看出，有機物對水汽品質存在負面影響。

由表3可知，供熱改造后給水、主蒸汽的氫導均較供熱前有所升高，主蒸汽氫導的升高幅度明顯高于給水。可見，有機物對水汽品質的負面影響是明顯的，而且隨著水汽溫度的提高，有機物分解加劇，對氫導的影響就更為顯著。特別是進行供熱改造后，由補給水帶入的有機物總量大幅上升，水汽氫導上升得就更大。根據GB/T 12145—2016 《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量標準》的要求，給水及蒸汽氫導均應小于0.10 μS/cm，期望值小于0.08 μS/cm，供熱后給水氫導平均值已達到并部分超過期望值，接近標準值，而主蒸汽則全面超過期望值，多數時間段超過標準值。

表3 供熱前后機組水汽氫導的變化 μS/cm

從#3鍋爐補給水的有機物含量看，平均僅達到45.3 μg/kg，遠小于200 μg/kg的標準。可見，對于供熱機組而言，補給水TOC≤200 μg/kg的標準顯然無法滿足水汽品質的要求，需要根據補給水量加以調整。

6 結束語

以上的分析顯示，供熱機組因為補水量的大幅度增加，有機物對水汽品質具有明顯的負面影響，部分指標已超出國標要求，必須加以重視。

對供熱機組而言，補給水TOC≤200 μg/kg的標準顯然無法滿足水汽品質的要求，應根據補給水量對控制標準進行調整，以保障水汽品質，降低有機物的影響。

補給水處理系統中，對有機物的去除主要發生在反滲透裝置。但在去除有機物的同時，有機物對反滲透膜具有污染作用，反滲透膜的有機污染是由有機物在膜表面的吸附而形成的，其不僅會導致反滲透膜水通量的快速、大幅降低,而且被有機物污染后的膜很難被清洗干凈，幾乎不可逆。為保證在去除有機物的同時，防止反滲透膜的污染，首先要選擇抗污染能力較強的反滲透膜，同時必須加強反滲透設備的運行管理，包括進水預處理、操作條件優化、添加阻垢劑、清洗等。

活性炭過濾器和保安過濾器對去除有機物有較明顯的作用。在供熱機組的補給水處理系統設計中要考慮安裝該裝置，以減輕反滲透裝置的運行壓力。由于反滲透裝置對有機物的去除效率可達到90%以上，在條件允許的情況下，安裝二級反滲透系統可以有效降低有機物含量，提高水汽品質。

在電廠運行過程中，經常遇到反滲透裝置前置過濾器的濾膜壓差上升過快，污堵非常嚴重的問題，造成電廠更換前置過濾器濾膜非常頻繁，主要原因是原水中有機物含量非常高(澄清池中長青苔)，原水的預處理過程中殺菌劑添加量不足，應適當增加預處理的殺菌劑劑量。

[1]杜秀英, 殷興軍. 有機污染物綜合指標(一)[J].環境化學,1986(2):83-86.

[2]火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量:GB/T 12145—2016[S].

(本文責編：齊琳)

2016-12-19；

2017-01-23

TM 621.8

B

1674-1951(2017)03-0005-04

王國蓉(1972—)，女，安徽蕪湖人，高級工程師，從事電廠化學監督技術管理方面的工作(E-mail:guorong_wang@chd.com.cn)。