電廠循環冷卻水系統的節水設計探究

周 嵐

（南京汽輪電力工程設計院有限公司，江蘇 南京 210000）

冷卻水系統通常是熱力發電中比較重要的一個組成部分，與發電效率息息相關。而冷卻水的用水量巨大，為了節約用水，在使用淡水作為水源的內陸地區，將換熱過后的冷卻水經冷卻塔冷卻后再循環使用，形成循環冷卻水系統。而在冷卻水的循環過程中，也會因風吹、蒸發、排污等因素產生不小的水量損失。循環冷卻水系統的節水設計可以從這些產生水量損失的因素出發，通過不同的方式，達到節水設計的目的。

1 減少冷卻水量的技術措施

循環冷卻水系統各種因素所產生的水量損失均與冷卻水量成正比關系。因此在保證機組安全運行的情況下，盡可能地減少冷卻水的耗量，是電廠循環冷卻水系統節水設計需要考慮的第一要素。

冷卻水量的確定首先需要對電廠所在地的環境氣候條件進行分析，再根據發電機組的運行參數確定合適的循環倍率，最終確定合適的冷卻水量。同一地區，在不同季節具有不同的環境氣候條件，可以采用不同的循環倍率，如果各季節均采用統一循環倍率來確定冷卻水量，就會導致設計冷卻水量過大，導致水資源的浪費。因此，在進行循環冷卻水系統供水設計時，可以通過大小泵組合的方式或者采用變頻技術，根據實時環境氣候條件合理地調整冷卻水量，從而盡可能地減少冷卻水用量，達到節水設計的目的。

2 減少風吹損失的技術措施

風吹損失的水量與進塔風速、冷卻塔的類型、淋水填料以及冷卻水量有關。在造成系統水量損失的3種因素中，風吹損失率的占比較小。在冷卻塔上加裝收水器是減少風吹損失的有效措施。

弧形收水器是目前在方形冷卻塔中最普遍使用的收水器形式。其材質為玻璃鋼或PVC。2.5 m/s風速時的收水效率可達99%。而在中小型的圓形逆流式冷卻塔中，由于周邊圓弧形邊界不適合使用弧形收水器，因此多采用小波斜交叉薄膜填料作為收水器，這種收水器效果較弧形收水器差。在設計時可以通過加裝收水器將循環冷卻水系統的風吹損失率控制在0.1%以下。

3 減少蒸發損失的技術措施

在開式冷卻水系統中，冷卻過程中的蒸發損失在整個水量損失中的占比最大。以設計循環倍率N=5為例，蒸發損失的水量占整個水量損失的80%。采取干式封閉式冷卻可以將這部分損失降至0。

閉式冷卻塔主要應用于干式封閉式冷卻過程中，其將冷卻水封閉在塔內的換熱盤管內，與開式機械通風冷卻塔一樣，采用風機將室外的冷空氣抽入塔中，在塔內冷空氣與熱冷卻水以換熱盤管作為導熱介質進行接觸傳熱。與開式冷卻塔相比，密閉式冷卻塔中冷卻水不直接與空氣接觸，只能通過盤管表面將熱量傳到進入塔內的冷空氣，而不存在蒸發散熱，因此不需要因為蒸發濃縮水質變差而進行排污，系統的水量損失只可能發生在設備管道的泄漏情況下。由于缺少蒸發散熱，因此該種冷卻形式的冷卻效率很低。對于同樣的冷卻水量來說，需要更多的冷卻面積，需要耗費大量的換熱盤管，設備費用大大高于同等冷卻能力的開式冷卻塔，且冷卻極限無法達到開式冷卻的程度。

由于這些缺點，閉式冷卻塔對于運行環境條件的要求更為苛刻，而且應用在冷卻水量規模較大的循環冷卻水系統時，耗費巨大。目前通常僅在冷卻水量不大于1 000 m3/h的循環冷卻水系統中采用閉式冷卻塔。對于純凝式的熱力發電廠來說，這樣的循環冷卻水系統規模是遠遠不能滿足要求的。對于整個生態環境系統來說，循環冷卻水系統中蒸發損失的水量轉化為氣態水進入自然循環，水質純凈，沒有生態環境污染。因此，在一些常年干旱、地表及地下資源都缺乏地區的電廠采用干式封閉式冷卻系統可以在一定程度上滿足缺水情況下電廠的運行需要。但是在水資源并不十分缺乏地區的電廠，如果一味地考慮減少蒸發損失，不僅經濟上難以承受，對于水資源環境保護這個節水設計的初衷來說實際意義不大。

4 減少排污損失的技術措施

電廠循環冷卻水系統中針對系統排污損失這一塊的節水設計是真正實現水資源良性循環的有效途徑。

在循環水系統冷卻過程中的水量蒸發導致水中雜質及離子含量的濃縮增長。為了防止循環水中雜質及離子含量濃縮增長到一定程度后，對電廠的生產安全產生影響，就需要將濃縮后的循環水排出，并補充生水使其中離子含量維持在一定范圍內。循環水系統的排污是應對系統冷卻過程中水量蒸發后導致水質惡化而采取的措施。排污損失率與系統蒸發損失率和系統允許的水質濃縮程度（以濃縮倍數表征）息息相關。一定環境和運行條件下，當蒸發損失率一定時，要減少系統的排污損失率，就要盡可能地提高系統濃縮倍數。下面是提高排污系統濃縮倍數重點流程圖，如圖1所示。

圖1 提高排污系統濃縮倍數流程圖

根據GB 50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》，采用非海水水源時，濃縮倍率設計值宜為3.0～5.0，當水質較好時，濃縮倍率可以進一步提高。由此可知，改善循環水水質條件可以在一定程度上提高濃縮倍率，進而減少系統排污損失。

改善循環水水質可以從以下幾個方面著手：改善處理循環冷卻水系統補水水質、改善循環冷卻水水質條件、循環冷卻水旁濾處理。除此之外，還可以通過一些循環冷卻水節水成套的技術的應用以及對排污水進一步處理提純等技術來減少循環冷卻水系統排污水的排放。

例如，在某個大型電廠，其每年在生產過程中所需要的水資源為3 500 t，循環水資源是由廠邊的2個大型水庫所提供的。在對其用水來源進行分析時，發現生活用水主要來自于城市用水管道，每年的需求量大約為650 t。尤其是近2年來， 國家對電能的需求量越來越多，為了滿足社會發展的要求，該大型電廠增設了發電機，并且將其納入到以前的發電機組當中。

相關的技術人員仔細地分析后，此大型電廠的工作人員對其中的問題進行了總結，發現如果按照以前的的生產方式，對水資源進行利用，其每年的生產所需要的水資源就會增加到1 400 t， 然而生產成本也會提高，要比原來多29.5%。這對于電力企業的發展來說，其情況是非常不樂觀的。

為了更有效地降低電力生產過程中的成本，該大型電廠中的技術人員需要從循環冷卻水等多個方面入手，合理地采用化學處理法和交換處理法，對循環水進行了相關的處理。同時，他們還需要按照照循環冷卻水中的實際情況，制定周期性的處理目標和方案，優化對循環水的處理流程。經過調查發現，在1年的時間內，這種大型電廠為了提高處理質量，對循環冷卻水進行了8次處理。對生產水資源進行整體分析，在該年度中，用于生產的水資源已經達到了3 040 t，與之前相比，下降了37%，對循環冷卻水的利用率提高了37.6%。

如果從生產成本的角度對其進行分析，會發現在該年度內，因為循環冷卻水利用率得到了提高，所以該大型電廠的生產成本與以前相比，在一定程度上下降了29.3%。因此，該大型電廠在對循環冷卻水進行前，需要按照相關的要求，調整處理措施，通過對相關措施的合理應用，不斷地提高節水效果，為該企業的發展提供更多的經濟效益。

在當前背景下，為了進一步提高電廠水資源的利用率，避免造成大量資源損失，需要對生產成本進行合理控制。在此過程中，我國的各大電廠需要按照其生產過程中的實際要求以及建廠規模的大小，選擇合理的循環冷卻水處理措施，對循環冷卻水進行處理，優化處理流程，減少排污損失，進一步完善循環冷卻水系統。

5 循環冷卻水系統補充水處理

對進入循環冷卻水系統的水源補水進行處理，即從源頭上減少了進入循環冷卻水系統的雜質及離子含量的濃度，從而可以提升設計濃縮倍數。

進入電廠循環冷卻水系統的補水懸浮物濃度不應大于50 mg/L，水源水懸浮物濃度不滿足此要求時，可以采用澄清、過濾等方法進行處理。

在系統補水懸浮物濃度滿足要求的情況下，根據水質情況，可以采用以下的化學處理方式進一步改善補水水質。

5.1 穩定劑及加酸處理

在對電廠循環水進行處理的過程中，如果循環水補充水碳酸鹽硬度及堿度不高時，可以只添加化學穩定劑對其進行處理。這種方式具有系統簡單和基建投資少等特點，保證了運行操作的有效性[3]。而如果原水堿度比較高，就可以通過向補充水中加硫酸，降低其中一部分的堿度，從而提高循環水濃縮倍率。但是在此過程中我們一定要控制加酸量，如果此量過大，會引起 CaSO4等物質對混凝土建筑物的侵蝕，避免引起水中的中性鹽含量增多對電廠循環冷卻水系統運行的影響。此外，由于 pH 偏低以及水質波動會給金屬材質的防腐性帶來影響，需要合理地應用此方式，優化電廠循環冷卻水系統節水設計的流程，循環冷卻水合適的pH值控制在6.5～9.5為宜。

5.2 石灰處理

當補充水中碳酸鹽硬度較高時，可以采用石灰處理。該方式是向原水處理的澄清池中加入一定的石灰乳，這種方式可以有效地除去水中游離的 CO2、碳酸鹽硬度和堿度還可以去除一部分有機物和微生物，在一定程度上大大減少了結垢對電廠循環冷卻水系統的影響，提高了濃縮倍率，這種方式具有運行費用低的特點。但是需要配套建設石灰乳制備系統，需要耗費一定的一次建設費用，且后期運行時石灰粉儲存投加設備維護起來也比較困難，容易出現管道堵塞和流通不暢等問題，影響了運行環境的安全性[1]。

5.3 加強弱酸氫離子交換處理

去除水中硬度還可以采用離子交換的方式進行處理。在進行弱酸處理時，一般利用弱酸陽離子交換樹脂的交換容量，將水中的碳酸鹽硬度以及堿度進行置換清除。該處理法技術比較成熟，操作起來也比較方便，非常容易實現自動化和環境清潔，提高了循環水處理水平，保證濃縮倍率的有效性。同時，這種方式在實際中的應用能夠保證水質穩定劑的有效性。

5.4 膜法處理

納濾膜可以實現對二價離子的去除，因此可以用來去除水中的硬度。相較于前述的軟化處理方法，該方法具有自動化程度高、去硬效果好等優點。但是該處理方法設備費用投資較大，相對于其能達到的節水效果來說并不經濟，因此目前實際應用較少。

6 循環冷卻水水質穩定處理

循環水冷卻水的水質穩定處理可以通過在補充水中投加，也可以直接加入循環冷卻水集水池中。通常采用投加緩蝕阻垢劑、殺菌劑等藥劑來保證循環冷卻水在循環過程中的水質穩定，使系統可以在一定的濃縮倍數下安全運行。

7 循環冷卻水旁濾處理

經過研究可以發現循環冷卻水的懸浮物含量對凝汽器管道及輔機冷卻器管道的腐蝕和結垢有一定影響。較高的懸浮物含量可促使沖擊腐蝕，并影響加藥的效果。此外，懸浮物在管道內的沉積可以導致管道的沉積物下腐蝕，還有可能在冷卻塔填料中沉積而影響冷卻效率。因此，對循環冷卻水進行旁濾處理，及時清除循環冷卻水系統在運行過程中增加的懸浮物，對于提高系統運行濃縮倍數具有重要的意義。

目前在實際應用中，循環冷卻水系統的旁濾處理通常采用自帶反洗功能的過濾裝置，如重力式無閥過濾器、自清洗過濾器等。這些設備在日常運行中不需要人工反洗操作，具有生產運行步驟簡單的優點。裝設循環冷卻水旁濾裝置的系統濃縮倍數基本可以達到≥5。

8 高濃縮倍數循環冷卻水節水成套的技術應用

相關技術人員對電廠循環冷卻水系統的運行方式和特點進行了研究，設計了高濃縮倍數循環冷卻水節水成套的技術。該技術安裝了節水示范裝置，裝置對冷卻水中阻垢的分散劑劑量和電導率等多種項內容進行自動監控，然后再根據監控信息進行穩定性運轉考核，使碳鋼腐蝕率＜0.03 mm/a，并控制污垢黏附速率使其在低于10 mcm的基礎上盡可能地減少提高濃縮倍數。有數據顯示，該技術在各大電廠中的應用，每年可節省3.0×107t的水資源損耗，極大地減少了污水排放量，保證了節水設計的有效性[2]。

9 循環冷卻水系統排污水的重復利用

循環冷卻水系統排污水具有含有一定的懸浮物雜質、鹽分高等特點。對循環冷卻水系統的排污水進行重復利用是該系統節水設計終極手段。根據不同的重復利用去向，可以采用不同的復用處理工藝。

對于采用濕法脫硫的燃煤電廠來說，循環冷卻水系統排污水可以經過簡單的澄清后直接進入濕法脫硫系統作為脫硫用水，也可以直接復用作為灰場沖灰水及道路澆撒水等。這些是循環冷卻水系統排污水復用首選途徑。

當無濕法脫硫工藝的電廠或者濕法脫硫用水量遠遠小于循環冷卻水系統排污水量時，排污水無法進行充分復用，對系統排污水進行進一步處理，以達到其他用水的水質需求。

以下是循環冷卻水系統排污水處理的1個典型流程，如圖2所示。系統排污水經過混凝沉淀過濾等預處理步驟后，再經過反滲透單元進行除鹽處理，經過除鹽過后的清水水質既可以達到循環水系統補水水質的要求，又可以作為循環冷卻水補水進入循環冷卻水系統重復使用。反滲透系統排放的濃水相當于原有循環冷卻水系統的排污，但是在該種情況下的排污水含鹽量更高，即將循環冷卻水系統所需要排放的污染物濃縮至更少量的水當中排放，大大減少了系統的排污水量[3]。

圖2 循環冷卻水系統排污水處理示意圖

盡管如此，為了將水資源利用到極致，已經經過濃縮的排污水還可以通過結晶蒸發的工藝進一步與水中的污染物分離，實現排水的全部回用。分離出來的污染物也可以經過提純處理后實現工業回用，變廢為寶，最終實現生產的良性循環。

10 結語

目前，優質水資源日益缺乏，人們需要在各種生產活動中進行更多的設計，以減少水資源的浪費，防止水資源的污染。電廠作為與經濟發展、人民生活息息相關的1種生產活動，循環冷卻水系統是其生產工藝中的主要耗水點，對該系統的各個環節采取節水，對整個電廠的節水設計具有重要的意義。在生產過程中，各種新興技術的應用也為該系統的節水設計提供了更多的可能。在日常的實際工作中，需要對這些技術進行探索研究，仔細分析并予以總結，這樣就可以在工程和生產實踐中靈活地加以運用，更好地完成電廠循環冷卻水系統的節水設計。