電廠循環水系統應用電磁阻垢抑菌系統后效益的幾種間接有效評估方法

潘曉文 魏海春 黃曉明 楊繼光 李長華

1．國能九江發電有限公司

2．上海電力大學自動化工程學院

3．國能江西電力有限公司

0 前言

國能九江發電有限公司在役機組包括三期#5、#6 機組（2×350 MW），四期#7 機組（1×660 MW），全廠總裝機容量為1 360 MW。#7機組冷卻水塔冷卻循環水中加入的化學除垢劑和殺菌劑的種類有所限制，原采用含磷的除垢劑現必須改成無磷的除垢劑，滿足排水總磷合格。但改用無磷的化學劑后除垢效果大大降低，用循環水作為冷卻水的閉式冷卻水系統中的各個冷卻器如凝汽器、小機凝汽器、大機潤滑油冷卻器和定子水冷卻器等，其冷卻器存在結垢的問題，冷卻器維護工作量大，運維成本高，有些結垢嚴重的部分必須3個月左右清垢一次，大大增加了維護成本，影響系統運行安全的穩定性。針對國能九江發電有限公司#7機組冷卻水塔循環水主要冷卻凝汽器及汽機輔機等主要設備安裝智能電磁阻垢抑菌系統的效果進行研究，提出切實、可行、經濟合理、可實施性強的技術方案和評估方法，該技術方案和多種評估方法對現有系統有明顯的降低結垢速率，多種評估方法對產生的效果進行評價和相關參數調整優化，達到設備的安全穩定運行。

1 智能電磁阻垢抑菌系統

水垢主要成分有CaCO3、Mg（OH）2、MgCO3、CaSO4、MgSO4、CaCI2、MgCI2等。水垢是硬水煮沸后所含礦質附著在容器內逐漸形成的白色塊狀或粉末狀的物質[2]。通過實驗測量當過高時，將通過下列反應生成定型和無定型晶體，并生成水垢：

傳統的去垢方法一般包括物理去垢和化學去垢。化學去垢就是往循環水里面投放化學藥品，通過發生化學反應而達到去垢的目的。這也是目前最常用的一種方法。物理去垢目前主要有超聲波去垢、靜電去垢等方法。但是這些方法都存在明顯不足：超聲波去垢[3]，會帶來一定的噪聲影響；靜電去垢，會消耗大量的電能，增加電廠成本。

智能電磁抑菌阻垢系統（IEDS）的工作原理是通過發射適當頻率的低頻電磁波激發水分子產生共振，增加水的內部能量，在冷卻水系統中形成無附著性的高能態的碳酸鈣及磁鐵層，解決積垢和腐蝕問題。同時細菌和藻類長時間累積會產生大量的軟垢，而且軟垢阻礙熱交換效果相對硬垢更加明顯。而該系統產生的獨特的離子電流脈沖在水中可達到對微生物顯著的殺菌效果，控制細菌和藻類生長。智能電磁抑菌阻垢系統最大特點是在大口徑循環水管道應用上有突破。除垢的機理也有很大突破，該設備能使附著在凝汽器換熱管內壁的垢發生共振，使各種垢的晶體連接鍵發生斷裂而使垢變得疏松進而脫落。

通過文獻和實驗可知，除垢和殺菌的波形和脈沖頻率是完全不同的，所以在此系統中采用的是掃頻的方式并尋找合適的波形和頻率（200 Hz～200 KHz）從而達到兼顧除垢和殺菌的目的。以往電磁阻垢抑菌的發射功率受電子元件及線圈電感的限制無法提高，如今通過選用高頻的大功率器件和線圈材料的特制纏繞方法使輸出功率和效率大大提高，系統只需少量的電量，無需專人看管，容易維護。帶有持續監控系統的IEDS 系統可以有效滿足絕大多數的環境安全標準。生態環境部規定的電磁輻射限值最小頻率為10 萬Hz，而IEDS 的頻率遠低于限值。安裝時在發射電磁波的線圈外層包有屏蔽層以阻斷電磁波對外干擾。因此，智能電磁阻垢抑菌系統比其他物理阻垢技術有著一定的優越性。在物理阻垢技術中，有很多運行參數影響評估效果，必須要用有效的評估方法來優化系統參數。

2 新型效果評估方法

在以前的觀察中，通過凝汽器端差和真空度或者直接打開設備來判斷結垢程度的好壞。但是前兩種方法受環境溫度、機組負荷、化學藥水時間和數量、循環水泵開的臺數以及膠球的投放次數等的影響較大[1]。特別是對于真空度的考核，其值受真空泵的運行影響較大，所以由真空度作為考核結垢程度的標準難度很大。通過近幾年數據的觀察可知，如果把這兩個考核指標，特別是以瞬間測量值作為考核無意義。第三種方法會花費大量的人力物力，影響機組及循環水系統的正常運行，而且安全性差?；谝陨戏治?，通過長時間的連續觀察，我們提出以下三種方法來評估除垢效果，并采用大數據的分析方法，盡可能將評估條件控制在相同的條件下，能夠較真實地反映出安裝智能阻垢系統的阻垢效果。經長時間觀察數據和打開換熱器直觀比較認為該三種評估方法是可行的。以下是評估的三種具體方法分析。

2.1 換熱器循環水調門開度

因為機組對多個換熱器如潤滑油循環水及定冷水循環水都沒有設置流量監控點，所以從各循環水調門開度和大量數據對比和分析，致力于篩選出同等負荷以及同等大氣溫度條件下、連續時間段的調門開度數據，取平均處理后發現調門開度明顯變小。從這一現象，直接說明減少了循環水用量，熱交換效果得到了大幅提升，從而推論系統內結垢狀況的明顯改善。在這里選取潤滑油循環水調門開度為例，具體數據見表1、圖1。

圖1 潤滑油閥門開度

通過以上數據可以看出，負荷與氣溫相近的情況下，2020年閥門開滿的情況明顯減少，較2019年閥門平均開度小了6%。

另外從定冷水循環水閥門開度的數據分析中也得到驗證。

2.2 大數據下的小機凝汽器端差分析

在循環冷卻水系統中[4]，端差是指換熱器的冷水出口處與熱水出口處的溫度差。機組端差分為小機凝汽器端差和大機凝汽器端差。在同等機組負荷、循環水進口溫度條件下，對比大、小機凝汽器端差大量數據，發現小機端差明顯下降，由于本機組大機端差情況較好，改善有限，所以選取小機凝汽器端差進行分析。在上述中，可以知道端差瞬時值是沒有意義的，但是通過近幾年數據的觀察分析，我們可以得到表2、圖2。通過大數據分析得出的以下數據，可以清晰地推斷出在使用智能電磁阻垢抑菌系統之后，結垢情況有了明顯的改善。

表2 小機凝汽器端差

如以上數據所示，工況近似的情況下，小機端差變小2．4 ℃左右，膠球一直按計劃投入情況下，熱交換效率明顯提升，且阻垢藥水換成無磷藥水1年后，情況仍舊改善。

2.3 換熱器清理周期

長時間使用循環水會導致換熱器結垢，一段時間后將無法通過換熱器保證被控制量的穩定運行，如潤滑油的油溫，特別在夏天，當無法恒溫時必須進行換熱器除垢清理，否則影響機組安全運行。所以多長時間清理一次換熱器直接反映出換熱器的結垢情況。在電廠中，循環水管道分為A、B 側。通過切換，一側清洗的時候，另一側可以正常工作。在安裝電磁阻垢抑菌系統之前，三個月清洗一次的水垢程度如圖3 左所示，在使用電磁抑菌阻垢系統之后，一年清洗一次的水垢程度如圖3 右所示。清理換熱器的周期明顯加長，在使用該系統之后，結垢明顯減少，而且顏色加深，說明其碳酸鹽含量減少。用電磁抑菌阻垢系統降低了電廠成本的同時，也降低了清理換熱器時給機組運行帶來的安全風險。

圖2 小機端差

3 結論

1）通過測量循環水中的鐵離子，可以分析出，循環水系統中的鐵離子較使用智能電磁抑菌阻垢系統之前明顯減少，說明使用該系統后可以在管道內形成一層保護層，同時投放化學藥水量的改變和減少，都可以延長管道的使用壽命。

2）從機組運行數據分析可以推論發現，結垢狀況得到明顯改善，換熱效果顯著提升，設備切換次數和檢修時間大幅降低[5]。

3）通過原除垢化學藥水從有磷逐步被無磷替代，工業廢水的成分更加符合環保排放標準。

4）系統投運后，改善了機組結垢情況、提升了換熱效率、減少了因結垢而檢修的次數，適應了化學藥水的成分的改變，以及日后殺菌劑的用量減少，有效提升了機組的運行經濟效益和安全性、穩定性。

通過以上四點結論，可以很好地證明本文提出的三種評估方法是有效的。在常見幾種物理除垢的方法中，采用大功率的智能電磁阻垢抑菌系統在660 MW 的機組循環水系統上應用有較好的效果。

圖3 使用電磁阻垢抑菌系統前后水垢情況