燃機噴水模塊高水質要求的解決方案

陳斌偉，蔡冠萍

(中國電力顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

燃機噴水模塊高水質要求的解決方案

陳斌偉，蔡冠萍

(中國電力顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

燃氣-蒸汽聯合循環中壓余熱鍋爐的水處理系統采用軟化水作為鍋爐補充水，但根據燃機廠商提供的燃氣輪機噴水模塊水質要求，這種品質的水被認為不能滿足噴水模塊的用水要求。針對此問題，提出了現場解決方案。并通過對噴水模塊用水水質要求的分析研究，提出想法及結論，可供系統設計和調試運行參考。

二級反滲透；加堿；電導率；燃機噴水。

1 工程概述

上海華電莘莊工業區燃氣熱電冷三聯供改造項目工程是上海市重大技術改造項目。一期工程建設兩臺60 MW級一拖一單軸布置燃氣－蒸汽聯合循環機組，天然氣作為單燃料。燃機采用GE公司的LM6000PF機型，汽輪機采用南京汽輪電機(集團)有限責任公司產品，余熱鍋爐采用東方日立鍋爐有限公司產品。鍋爐最大連續蒸發量(B－MCR) 為 43.5 t/h，高壓汽包出口蒸汽壓力5.2±0.2MPa，高壓汽包出口蒸汽溫度435±5 ℃，根據TSG G0001－2012《鍋爐安全技術規程》規定，余熱鍋爐僅屬于中壓鍋爐。

電廠的鍋爐補給水處理系統是根據機組水汽質量標準以及原水水質設計。電廠水源為廠址附近六磊塘河段河水，根據2011年～2012年的水質全分析報告，此河水的含鹽量在400～500 mg/L范圍之內。鍋爐補給水處理系統采用兩級反滲透膜法水處理工藝，即超濾+一級反滲透+二級反滲透。

2 燃機噴水模塊概述及問題分析

本工程采用的LM6000PF型燃機配套帶有SPRINT系統，SPRINT系統的原理是用水冷卻空氣，從而增加空氣的質量流量，最終可以提升燃氣輪機的出力。此技術通過一個位于高壓和低壓壓縮器之間的噴嘴噴水，噴出的水被高溫空氣霧化進入燃氣輪機低氮燃燒室。

SPRINT系統的噴水模塊除鹽水的耗量是11～41 gal/min，約合2.5～9.3 m3/h。在正常運行時SPRINT系統啟用的機會不多，僅在燃氣輪機需要在短時提高負荷時系統才會啟用，但燃機廠商對于這部分補水水質的要求較高，要求電導率小于1.0 μs/cm。

本工程鍋爐補給水處理系統的設計主要考慮滿足中壓余熱鍋爐的供水要求，根據GB/T 12145－2008《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》中壓鍋爐給水品質，兩級反滲透產水僅需控制鍋爐補給水的總硬度和二氧化硅含量即可，無需對水的電導率進行控制。因此，設計中二級反滲透進水不考慮添加堿化劑。但是，實際機組投運后，兩級反滲透產水無法滿足燃機廠商提出的噴水模塊的用水電導率小于1.0 μs/cm的要求。

3 鍋爐補給水處理系統產水水質分析

3.1 理論分析

根據2014版《陶氏化學FILMTEC反滲透和納濾膜元件產品與技術手冊》對兩級反滲透系統的設計要求，二級反滲透進水的pH值可以根據脫鹽率要求調節到最佳值，對于合適的苦咸水水源，采用兩級反滲透膜系統，可使系統總產水的電導率達到＜1.0 μs/cm，甚至可以達到0.5 μs/cm。在加堿的條件下，兩級反滲透的產水理論上應該能滿足電導率小于1.0 μs/cm，然而實際情況卻很難達到。

3.2 實際運行

兩級反滲透制水系統經過多次調試，在不添加堿化劑的情況下，二級反滲透的產水電導率值均在2.8 μs/cm左右。電導率偏高的原因如下：

(1)電導率偏高主要是產水中存在的CO2所致。由于一級反滲透的產水pH在5.0～5.5之間，在此pH值下，水中存在大量CO2以及少量的HCO3－，無法被二級反滲透去除，導致二級反滲透產水電導率偏高，水中碳酸化合物形態與pH關系詳見圖1。

圖1 水中碳酸化合物形態與pH關系

(2)河水水質相比設計水質有變差的趨勢。本工程河水的電導率與含鹽量大致成正比關系，以溫度25℃為基準，其比例范圍為：1 μs/cm=0.60～0.68 mg/L。在調試過程中，發現超濾產水在線電導率表顯示值約在1100 μs/cm左右變化，那么根據超濾產水電導率來推算原水的含鹽量應在660～748 mg/L左右。由于原水水質的含鹽量增加，在反滲透脫鹽率沒有變化的情況下，二級反滲透的產水自然會比較高。

(3)反滲透膜可能存在的損壞。反滲透設備在安裝后啟動制水，反滲透膜殼產水側泄漏嚴重，后檢查發現主要是膜元件之間的密封圈沒有安裝到位，重裝全部膜元件后解決了問題。但不排除在安裝過程中的野蠻操作導致反滲透膜的損壞。這種損壞可能導致部分溶液固形物沒有被反滲透膜去除，從而使出水電導率升高。

4 降低產水電導率的措施

針對燃機廠商SPRINT系統對補水電導率的要求，同時考慮到水處理車間場地的限制和電廠急于整機啟動的要求，采取方案必須快速而有效。具體方案如下：

方案一：二級反滲透進水添加堿化劑。需要增加一套加堿設備，兩箱兩泵，根據二級反滲透進水pH表自動控制加堿量。目的是提高二級反滲透進水pH值，將水中大量的游離二氧化碳轉化為可被反滲透膜去除的重碳酸根離子，從而達到降低產水電導率的目的。

方案二：設一套離子交換設備或者連續電除鹽(EDI)設備(含水箱)，對燃氣輪機用的噴水進行深度除鹽，以進一步去除水中的離子含量，降低噴水的電導率，使其符合燃機的要求。

方案一相比方案二來說，經濟且施工速度快，不涉及土建的工程量。因此首選方案一來優化鍋爐補給水處理系統的出水。

5 二級反滲透前加堿方案論述

很多已投運的全膜法鍋爐補給水處理系統均在二級反滲透進水添加32%的NaOH，雖然省去了配藥的步驟，但是二級反滲透進水加堿是很難精確控制的，尤其對于處理水量較小的膜系統，加濃堿的結果往往是非但沒有降低二級反滲透的產水的電導率，反而使其有所增加，原因是添加了過量的高濃度的堿，導致二級反滲透產水的電導率上升。因此合理配制堿液的濃度和調節加堿量是方案是否可行的關鍵。

理論上，當pH=8.3時，水中的游離CO2含量僅占碳酸化合物總量的1%，也即水中的游離CO2已基本轉化成因此，二級反滲透進水加NaOH的調節應精確控制pH值在8.3。當過量添加NaOH時，二級反滲透進水pH持續上升，產水的電導率反而增大。經計算(1)，對于本工程水源，當一系列反滲透正常運行時，將pH調整到8.3，需添加5%的氫氧化鈉約12.40 L/h。

為使系統運行中加堿量的控制能夠更加精確，在二級反滲透進水母管的加堿部位設置混合器，同時在加藥混合器后4～5 m的管道位置設了pH在線儀表實現自動控制。表1為二月某日加堿調試數據記錄。

表1 二月某日加堿調試記錄

根據調試記錄表中的數據分析如下：

(1)二級反滲透產水電導率在1.20 μs/cm時，進水在線pH表計顯示值為8.80，與理論值8.3有偏差。產生偏差的原因可能是由于溫度的影響，在線pH表在測量時需要將溫度修正到25℃，不同的pH探頭制作工藝及不同的水樣工況其修正系數都有區別，都會對測試結果產生影響。

(2)二級反滲透產水電導率在1.20 μs/cm時，加堿量為13.20 L/h，與理論值12.40 L/h (pH=8.3)有偏差。加堿量與二級反滲透進水pH值(未加堿時)和原水中重碳酸鹽含量這兩個要素息息相關，這兩個數據稍有變化，對加堿量的影響是十分明顯的。

(3)本記錄表中二級反滲透產水電導率最佳值為1.20 μs/cm，尚未達到理論值小于1.00 μs/cm。之后又做了多次調試，二級反滲透產水電導率曾達到0.98 μs/cm，相應的超濾產水電導率為973 μs/cm。

6 SPRINT系統對噴水水質要求的協調性研究

6.1 SPRINT系統的噴水水質要求

根據燃機廠商提供的噴水水質的資料可以歸納見表2。

表2 燃汽輪機SPRINT系統噴水水質要求

6.2 SPRINT系統噴水水質要求的分析

本工程經混凝澄清過濾后的原水經超濾加兩級反滲透工藝處理后，其出水水質通過陶氏反滲透軟件計算理論上可達到表3指標。

表3 二級反滲透理論產水水質

根據表3顯示，不論二級反滲透給水是否加堿，產水的各離子濃度理論上都能滿足且遠小于表2的要求。那么加堿處理是否有必要，在各離子含量都滿足要求的情況下，為何唯獨電導率不能滿足要求呢？

實際上，燃機廠商給出的電導率要求是有條件的，需要測的是脫氣電導率，即脫除了產水中二氧化碳后的電導率。根據表3二級反滲透前加堿的前后產水水質的對比，不難看出二級反滲透產水中溶解的二氧化碳的量很大，這是造成產水中高電導率的主要原因。采用二級反滲透給水加堿的方案正是能在快速而有效地去除水中二氧化碳后測出產水的脫氣電導。因此，二級反滲透進水的加堿處理是有必要的，且可使產水的pH值達到要求。

那么產水中的二氧化碳是否需要控制，二氧化碳是否對SPRINT系統的噴水模塊有影響？根據表2中的數據，噴水模塊對產水的二氧化碳沒有控制要求，且高純水的緩沖能力比較差，根本無法保證高純水在貯存和輸送過程中不再溶入二氧化碳。那么之所以要測脫氣電導率，最終的目的不是要去除產水中的二氧化碳，而是要確保排除二氧化碳的影響后，產水的電導率要滿足要求。所以認為二氧化碳在產水中的含量對噴水模塊是無影響的。

根據GB/T 6682－2008《分析實驗室用水規格和試驗方法》，二級反滲透給水加堿后的產水水質與標準中給出的“三級水”類似，“三級水”的溶解固形物含量要求≤2 mg/L，電導率(25℃時)要求≤5 μs/cm。而表2中SPRINT系統噴水水質要求的含鹽量為≤5 mg/L，且允許有最大5 mg/L的懸浮物存在，可電導率(25℃時)卻要求＜1.0 μs/cm，這些數據與電導率數據存在相互間的矛盾，按照這些數據推斷，電導率很有可能在10 μs/cm左右。因此，認為燃機廠家給出的噴水水質要求中的電導率的指標是存在問題的，超濾加兩級反滲透工藝的產水完全可以用于SPRINT系統的噴水模塊。

7 結論

(1)二級反滲透給水加堿有利于提高二級反滲透對碳酸化合物的去除率，對于降低產水電導率是有必要的，但應根據水質條件確定堿液配置濃度以及準確控制加藥量，否則二級反滲透產水電導率可能會比不加堿時還要差。

(2)燃汽輪機的SPRINT系統要求噴水水質的電導率小于1.0 μs/cm，這個指標和要求的溶解固形物含量等相關指標間不協調。有理由認為，對于本項目的超濾加兩級反滲透工藝的產水完全可適用于燃汽輪機SPRINT系統的噴水模塊。

[1] 莫慶時，兩級反滲透系統加堿調節pH值的分析[J]，水處理技術，2005，31(6)．

[2] GB/T 12145－2008，火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量[S].

[3] TSG G0001－2012，鍋爐安全技術規程[S]．

Solution Scheme for High Water Quality Requirement of Sprinkler Module for Gas Turbine

CHEN Bin-wei, CAI Guan-ping
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd of China Power Engineering Consuloing Group, Shanghai 200063, China)

Softened water from water treatment system is used as make-up water for medium pressure residual heat boiler of gas and steam turbine combined-cycle, but according to the water quality requirement of the gas turbine manufacturer, the quality of softened water is considered not to meet the needs of the injection in gas turbine.For this problem, the solution of the field is put forward.Through analysis and research of the water quality requirement for the injection, the idea and conclusion are put forward and regarded as reference for design and debugging of system.

second stage reverse osmosis; alkali addition; electrical conductivity; injection in gas turbine.

2016-02-17

陳斌偉(1987- )，男，上海松江人，助理工程師，從事電力系統電廠化學設計工作。

TM621

B

1671-9913(2017)03-0040-04