循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水方案的研究與應用

王軍昌 張易峰 張麗格 屈朝霞

（漳澤電力河津發(fā)電分公司）

山西漳澤電力股份有限公司河津發(fā)電分公司一期機組是2×350 MW濕冷機組，凝汽器換熱器設計為銅管，管材為：主凝結區(qū)和頂部圓周區(qū)HSn70-1黃銅管，空抽區(qū)為B30白銅管，換熱管共19 000多根，換熱面積共22 280 m2。循環(huán)水系統(tǒng)設計為直接開式循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)水量38 190 m3∕h，循環(huán)水系統(tǒng)每年補水量約為600 Wt，約占全年總用水量的70%左右，所以在全廠節(jié)水工作中，節(jié)約循環(huán)水用量放在首要位置。

1 循環(huán)水系統(tǒng)運行情況分析

1.1 循環(huán)水濃縮倍率計算

根據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》計算，當循環(huán)水濃縮倍率從1.5～10.0變化時，循環(huán)水補水量與排污水量關系如下（循環(huán)水量按10 000 m3∕h計算）：

圖1 循環(huán)水補水量與排污水量關系

隨著循環(huán)水濃縮倍率提高，循環(huán)水補水量和排污量逐漸減少，見圖1，當倍率從3提高到5時，節(jié)水效能可提高0.4個百分點，即：補水率從2.4%下降到2%、排污率從0.8%下降到0.4%，節(jié)水效率較高，節(jié)約用水量也是比較可觀。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)存在的問題

①.凝汽器換熱管采用銅材質，對循環(huán)水水質要求嚴格，尤其是對氯根含量要求不能超過400 mg∕L（《火力發(fā)電廠凝汽器管選材導則》DL∕T 712-2000），限制著循環(huán)水濃縮倍率提高；

②.循環(huán)水補水氯根含量不斷增大，隨著循環(huán)水濃縮倍率的提高，循環(huán)水存在著結垢的風險。

圖2 循環(huán)水補水氯離子變化趨勢

從圖2中可以看出：自2007年以來的補充水氯離子，呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，最大值、最小值和平均值不斷創(chuàng)出新高，至2017年，氯離子平均值提高了96.8%。

2 技術優(yōu)化方案研究

針對循環(huán)水系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的問題，制定了以下改造方案：

2.1 凝汽器換熱器管材優(yōu)化

根據(jù)《火力發(fā)電廠凝汽器管選材導則》（DL∕T 712-2000）規(guī)定，不銹鋼管的凝汽器要求氯離子含量不大于1 000 mg∕L，為循環(huán)水濃縮倍率提高奠定了基礎。因此在2016年12月和2017年5月，分別對1#和2#凝汽器銅管更換為TP316L不銹鋼管；為了保持換熱效果，每臺凝汽器管束增加了3 878根。1#機于2016年12月份啟機運行，運行后循環(huán)水氯離子逐漸提升，循環(huán)水濃縮倍率從改造前的3倍提高到5倍。1#機2017年循環(huán)水氯根提升變化趨勢見圖3。

圖3 循環(huán)水氯離子變化趨勢

2.2 弱酸床優(yōu)化

凝汽器銅管改造為不銹鋼管后，循環(huán)水的補水由60%生水+40%軟化水，改為100%的軟化水，但是的運行存在以下問題：①再生濃度高，容易出現(xiàn)床體碳酸鈣析出、結垢現(xiàn)象；②再生劑的比耗值較大，不經濟；③床體失效終點判定不科學，不利于循環(huán)水濃縮倍率提高。

因此，在2017年進行了弱酸床優(yōu)化試驗研究：

①.通過對弱酸床的再生調整試驗，確定了合理的再生劑濃度、流量以及再生時間，使弱酸床再生效果達到最佳狀態(tài)。調整順序為：調整弱酸床樹脂裝載量，使樹脂層高度在布酸裝置下約150 mm處；調整再生用酸量，硫酸用量由原來的1 960 kg提高到2 200 kg～2300kg；調整再生液濃度，再生的硫酸再生液濃度也降低為0.8%；根據(jù)進酸量，再生時間延長約100 min；調整大反洗流量，調整反洗水流量已達到200 t∕h；調整弱酸床的運行終點，試驗確定，出水堿度達2.3 mmol∕L時弱酸床為失效。通過調整后弱酸床運行周期從40 h提高到60 h，周期制水量提高了50%，再生酸耗從0.26 kg∕t，下降到0.18 kg∕t，降低了0.08 kg∕t。

②.根據(jù)弱酸床的工作交換容量，由此計算弱酸床再生合理的用酸量。出水有酸度和出水有堿度的工作交換容量計算方法不同，因此分為兩部分進行計算：

式中：

E—一個運行周期總工作交換容量，mmol；

Ea—運行前期出水有酸度時工作交換容量，mmol；

Eb—運行后期出水有堿度時工作交換容量mmol；

Qi—弱酸床運行中i時刻的流量，L∕h；

JDi—弱酸床進水i時刻的堿度，mmol∕L；

SDi—弱酸床出水有酸度階段i時刻酸度，mmol∕L；

JDc—弱酸床出水有堿度階段i時刻堿度，mmol∕L。

③.根據(jù)循環(huán)水對補充水水質的要求，合理延長弱酸床運行周期，循環(huán)水只補充弱酸水，而不添加生水，從而提高了循環(huán)水的濃縮倍率。

循環(huán)水補水加生水時，補水平均鈣硬約3.0 mmol∕L，平均堿度 3.3 mmol∕L，鈣+堿合計約為 6.3 mmol∕L。循環(huán)水100%的弱酸水時，補水平均堿度約1.0 mmol∕L，平均鈣硬約1.5 mmol∕L，鈣+堿合計約為2.5 mmol∕L，循環(huán)水控制指標是鈣+堿不大于18 mmol∕L，由此計算補水加生水時，循環(huán)水濃縮倍率最大能到3.0，循環(huán)水僅補弱酸水時，濃縮倍率最大可達6.0倍以上，所以僅弱酸水能提高循環(huán)水濃縮倍率。

④.加裝二氧化碳脫除裝置：使弱酸水中的二氧化碳在補水需要脫除一部分，降低循環(huán)水的堿度，提高其濃縮倍率，節(jié)約用水，使得因濃縮倍率提高而帶來的結垢風險大幅降低。弱酸床出水pH值最低約3.0，最高約6.0，平均約4.0。水中的碳酸、二氧化碳有下式的平衡關系：

由上式可知，水中H+濃度越大，平衡越易向右移動。經H+交換后的水呈強酸性，因此水中碳酸化合物幾乎全部以游離CO2形式存在。

CO2氣體在水中的溶解度服從于亨利定律，即在一定溫度下氣體在溶液中的溶解度與液面上該氣體的分壓成正比。所以，加裝二氧化碳脫除裝置降低與水相接觸的氣體中CO2的分壓，溶解于水中的游離CO2便會從水中解吸出來，從而將水中游離CO2除去。

2.3 循環(huán)水水質指標優(yōu)化

循環(huán)水指標優(yōu)化試驗按以下步驟進行：取水樣、混合水樣、濃縮試驗、旋轉掛片試驗、動態(tài)模擬試驗。濃縮試驗是對水樣初步判斷，確定取樣是否合理，旋轉掛片試驗是對緩蝕劑的效果進行篩選和判斷，動態(tài)模擬試驗綜合考慮確定合理的水質控制指標，圖4為循環(huán)水指標優(yōu)化動態(tài)試驗的示意圖。

圖4 動態(tài)模擬試驗裝置換熱管及掛片位置示意

試驗表明：在100%補軟化水和合理的加藥量條件下，可使循環(huán)水濃縮倍率最高可達5.4，確保了循環(huán)水系統(tǒng)不發(fā)生結垢和腐蝕，旋轉掛片試驗后不銹鋼掛片形貌見圖5。

圖5 動態(tài)試驗后316L試片形貌

2.4 循環(huán)水處理技術優(yōu)化

在循環(huán)水處理技術優(yōu)化上，采用先進的電化學技術，確保在較高濃縮倍率安全穩(wěn)定條件下，逐漸減少加藥量和排污量，節(jié)能降耗。電化學技術是通過直流電流的作用，在反應室內壁（陰極）附近形成一個堿性環(huán)境（pH值達到8～9），這種強堿性環(huán)境下水垢更容易結晶析出。在陽極附近，高達30%的氯離子轉變成游離氯或次氯酸，有殺菌滅藻作用。設備對鈣離子去除率在40～60%，對鎂離子去除率在20～30%，對氯離子去除率10%，對離子去除排序鈣離子＞鎂離子＞氯離子。現(xiàn)場從2016年11月24日開始投入運行，電化學法和加藥劑法運行循環(huán)水主要指標對比趨勢圖如下：

圖6 循環(huán)水中總堿度對比趨勢圖

圖7 循環(huán)水中總鈣硬對比趨勢圖

采用電化學處理循環(huán)水后，循環(huán)水中鐵離子、銅離子含量明顯降低，這說明采用電化學處理循環(huán)水，水中結垢成份已經大量析出，腐蝕性明顯降低，濃縮倍率明顯提高。

3 應用效果

循環(huán)水系統(tǒng)技術優(yōu)化方案在現(xiàn)場應用之后，循環(huán)水濃縮倍率明顯提高，節(jié)水效果明顯，還取得了一定的經濟效益。

3.1 提高了循環(huán)水濃縮倍率

循環(huán)水濃縮倍率從3倍提高到5倍，2016年優(yōu)化前和2017年指標優(yōu)化后循環(huán)水濃縮倍率對比，見圖7。

圖7 循環(huán)水指標優(yōu)化前后濃縮倍率對比圖

3.2 節(jié)約了循環(huán)水補水量

2016年2017年機組發(fā)電量基本持平，2016年循環(huán)水補水量約640 Wt，2017年指標優(yōu)化后循環(huán)水補水量約550 Wt，全年節(jié)約循環(huán)水量約90 Wt。

3.3 經濟效益顯著

循環(huán)水節(jié)水方案實施后，取得了一定的經濟效益。2017年節(jié)水約90 Wt，循環(huán)水處理節(jié)約硫酸約500噸，廢水處理節(jié)約液堿約400 t，每年節(jié)約的費用合計約為500多萬元。

4 結論

提高循環(huán)水濃縮倍率是節(jié)水的主要途徑，提高循環(huán)水濃縮倍率的方案有：凝汽器換熱管改造為不銹鋼管、優(yōu)化補水方式、優(yōu)化循環(huán)水控制指標、采用新的防垢技術等，循環(huán)水濃縮倍率提高后，經現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明節(jié)水效果顯著，并取得一定的經濟效益，此方法可以推廣應用到設計有循環(huán)水系統(tǒng)的電廠。