降低發電廠水消耗的研究與實踐

董小錄，裴居峰

（山西漳澤電力股份有限公司河津發電分公司，山西 河津 043300）

0 引言

2015年4月16日，國務院發布《水污染行動計劃》 （《水十條》），要求實施最嚴格的水資源管理，提高用水效率，嚴格用水定額管理。自此，火電廠在水資源利用方面的壓力陡然提升，加快落實深度節水任務迫在眉睫。

山西漳澤電力股份有限公司河津發電分公司（以下簡稱“河津電廠”） 一期2臺機組為2×350 MW亞臨界參數濕冷式汽輪發電機組，日本三菱公司制造，分別于2000年8月和2000年11月投產。濕冷機組的發電水耗普遍偏高。2015年之前，河津電廠一期機組發電水耗為2.55 kg/（kW·h）左右，亟待尋求一個有效降低發電水耗的辦法。一期機組最大的用水系統是循環水系統，最有效的節水措施就是提高循環水濃縮倍率。

1 循環水系統概況

一期機組循環水系統保有水量為15000 m3，循環水量為38000 m3/h。凝汽器換熱管均為HSn70-1A黃銅管，空抽區為BFe30-1-1白銅管。循環水系統補充水水源為黃河東岸地下水。投產以來，水源水質持續惡化，生水含鹽質量濃度及氯離子質量濃度不斷升高。投產時氯離子質量濃度為70 mg/L左右，2010年為100 mg/L左右，2015年為130 mg/L左右，2018年達200 mg/L左右。

生水經過雙流弱酸床處理后作為循環水系統的補充水。設計弱酸床運行終點堿體積濃度為1.7 mmol/L，出水平均pH值為4.5左右，水的腐蝕性比較強，因此作為循環水的補充水時配比了約30%的生水。配比生水可以降低補充水的腐蝕性，但補充水的堿度也隨之增大，使得循環水系統容易結垢，從而限制了濃縮倍率。

2010年一期機組循環水的緩蝕阻垢試驗結果表明，在添加緩蝕阻垢劑的條件下，循環水系統鈣體積濃度與堿體積濃度之和應小于等于12.65 mmol/L，氯離子質量濃度應小于380 m g/L。試驗時生水氯離子質量濃度約為100 mg/L左右，濃縮倍率可達3.8倍。2015年氯離子質量濃度達130 mg/L左右，循環水中氯離子質量濃度為380 mg/L左右時，對應的濃縮倍率不到3倍。

也就是說，在當時的條件下循環水濃縮倍率無法提高，主要受到以下兩個因素的制約。

a）若循環水中鈣體積濃度與堿體積濃度之和大于12.65 mmol/L，會導致循環水系統結垢。

b） 若循環水中Cl-質量濃度增大，會導致凝汽器銅管發生腐蝕。

2 提高循環水濃縮倍率的措施

a）根據《發電廠凝汽器及輔機冷卻器管選材導則》 （DL/T 712—2010），HSn70-1A黃銅管循環水中氯離子質量濃度應小于400 mg/L；316L不銹鋼管循環水中氯離子質量濃度應小于1000 mg/L。為此，可將凝汽器HSn70-1A黃銅管更換為316L不銹鋼管。在2015年的水質條件下，循環水濃縮倍率可提高至5～6倍。由于銅材的市場價格高于不銹鋼，凝汽器換熱管可以免費由銅管更換為不銹鋼管。

b）改變弱酸床的運行方式，對弱酸床進行優化調整試驗，通過試驗達到以下目的：提高弱酸床出水的平均pH值，循環水補充水只補充弱酸床出水，使得循環水系統既不容易結垢也不容易腐蝕，從而可有效提高循環水的濃縮倍率。

3 節水量估算

將凝汽器HSn70-1A黃銅管更換為316L不銹鋼管，提高循環水的濃縮倍率后的節水情況進行了以下計算。

3.1 循環水系統的3部分損失

a）蒸發損失。冷卻塔進出口水溫每相差5℃，蒸發損失率夏季0.8%，冬季0.4%。河津電廠冷卻塔進出口溫差一般為8℃左右。

b）吹散及泄漏損失。自然通風冷卻塔的吹散及泄漏損失為0.3%～0.5%。

c）排污。循環水系統的補充水就是為了補充以上幾方面的損失。對于一定的循環冷卻水系統，蒸發損失和風吹泄漏損失是一定的，因此補充水量的多少取決于排污水量的大小。

3.2 根據循環水系統中的水量平衡和鹽量平衡計算損失率

根據循環水系統中的水量平衡和鹽量平衡，循環水的排污損失率和蒸發損失率、風吹泄漏損失率、濃縮倍率的關系為

式中：Pp——循環水排污損失率，%；

Pz——循環水蒸發損失率，%；

Pp——循環水風吹泄漏損失率，%；

φ——循環水濃縮倍率。

3.2 循環水補充水等損失量

循環水補充水率和排污率、蒸發損失率、風吹泄漏損失率的關系為

式中：Pb——循環水補充水率，%。

3.4 節水量計算

以單臺機組計：循環水系統儲水量15000 t，循環水流量以38000 t/h（夏季）計，蒸發損失率取2個數值1.0%（一般情況） 和1.5%（極端情況），風吹泄漏損失率取2個數值0.1%（小風）和0.3%（大風），計算4種不同條件下的排污水量和補充水量，計算結果如下。

3.4.1 第一種工況

Pz＝1.5%，Pf＝0.3%

蒸發損失量加風吹泄漏損失量：38000×（1.5%＋0.3%） ＝684 t/h。

此時，在不同濃縮倍率和排污率的工況下，對應的循環水排污水量和補充水量如表1所示。

表1 第一種工況下的循環水的排污水量和補充水量

3.4.2 第二種工況

Pz＝1.5%，Pf＝0.1%

蒸發損失量加風吹泄漏損失量：38000×（1.5%＋0.1%） ＝608 t/h。

此時，在不同濃縮倍率和排污率的工況下，對應的循環水排污水量和補充水量如表2所示。

表2 第二種工況下的循環水的排污水量和補充水量

3.4.3 第三種工況

Pz＝1.0%，Pf＝0.3%

蒸發損失量加風吹泄漏損失量：38000×（1.0%＋0.3%） ＝494 t/h

此時，在不同濃縮倍率和排污率的工況下，對應的循環水排污水量和補充水量如表3所示。

表3 第二種工況下的循環水的排污水量和補充水量

3.4.4 第四種工況

Pz＝1.0%，Pf＝0.1%

蒸發損失量加風吹泄漏損失量：38000×（1.0%＋0.1%） ＝418 t/h

此時，在不同濃縮倍率和排污率的工況下，對應的循環水排污水量和補充水量如表4所示。

表4 第二種工況下的循環水的排污水量和補充水量

根據上述計算可知，在蒸發損失率為1.5%的條件下，濃縮倍率從3倍提高到5倍，單臺機組補水量從855 t/h降到712.5 t/h，每小時可節水142.5 t，2臺機組每天可節水6840 t。

在蒸發損失率為1.0%的條件下，濃縮倍率從3倍提高到5倍，單臺機組補水量從570 t/h降到475 t/h，每小時可節水95 t，2臺機組每天可節水4560 t。

計算可知，若將循環水濃縮倍率從目前的3倍提高到5倍，2臺機組每天節水量以5700 t計，每年以300 d計，年發電量以36億kW·h計，水耗可降低約0.475 kg/（kW·h）。節水效果十分可觀。

4 弱酸床的出力

將凝汽器HSn70-1A黃銅管更換為316L不銹鋼管，可以提高循環水的濃縮倍率。需要考慮的問題是，以往循環水補水配比了30%左右的生水，若只補充弱酸床出水，弱酸床的出力是否滿足要求，是否需要增加弱酸床。

弱酸床共設置有7臺。濃縮倍率提高至5倍時，2臺機組日補水量為21000～22000 t，弱酸床的出力為230 t/h左右，4臺弱酸床運行即可滿足補充水量需求。考慮到夏季補水量大，最大日補水量以32000 t計，6臺弱酸床可滿足循環水補水要求。

一般情況下日補水量大于30000 t的時候很少，因此提高濃縮倍率到5倍時，即使在夏季蒸發量很大時，一般5臺弱酸床即可滿足補水量需求。

5 降低水消耗的改造措施

經過上述論證，認為將凝汽器銅管更換為不銹鋼管，可以提高循環水濃縮倍率至5倍，而且不需要增加弱酸床，隨后進行了以下幾項工作。

a） 一期2臺機組于2016年12月—2017年3月，將凝汽器銅管更換為316L不銹鋼管。

b）對雙流弱酸床進行了優化調整試驗，確定了雙流弱酸床合理的運行方式及終點控制指標。弱酸床的運行時間由原來的34 h延長至58 h左右，終點堿體積濃度由原1.0 mol/L左右提高至2.0 mmol/L左右。

c） 采取調整后的弱酸床出水水樣進行了循環水的緩蝕阻垢試驗，確定了循環水的各項控制指標。

2017年3月份，一期2臺機組改造后重新投產。2017年3月，補充水中氯離子質量濃度為180 mg/L左右，循環水的濃縮倍率控制在5倍左右；2018年，補充水中氯離子質量濃度達200mg/L，循環水的濃縮倍率控制在4.5倍左右。

6 改造前后的發電水耗

改造前，2014年—2016年，一期2臺機組循環水系統補水量為24700 t/d左右，發電水耗約為2.55 kg/（kW·h）。

2017年—2018年，一期2臺機組循環水系統補水量為20200 t/d左右，與改造前相比，每天減少用水量約4500 t；發電水耗約為2.15 kg/（kW·h）。若不進行改造的話，目前循環水濃縮倍率只能維持在小于1.9倍。改造后，節水效果明顯，達到了預期目的。