間冷循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)調(diào)控措施探討

徐淑姣，周 軍，劉軍梅

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

0 引言

間接空冷系統(tǒng)具有節(jié)水效率高、受環(huán)境氣象條件影響變化小、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，在我國(guó)北方地區(qū)的新建燃煤發(fā)電機(jī)組中廣泛應(yīng)用。近年來，隨著部分新建間接空冷燃煤電廠的陸續(xù)投運(yùn)，發(fā)現(xiàn)第一次充水或運(yùn)行一段時(shí)間后，間冷循環(huán)水出現(xiàn)pH值升高的現(xiàn)象。間冷循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)若未得到有效控制，會(huì)引起鋁制散熱器腐蝕甚至泄漏，造成電廠安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。本文將對(duì)間冷循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)惡化的原因進(jìn)行分析，總結(jié)歸納水質(zhì)調(diào)整和控制措施。

1 間冷循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)惡化原因

1.1 間冷循環(huán)水pH控制不當(dāng)

間冷循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)充水為除鹽水。根據(jù)DL/T 5545—2018《火力發(fā)電廠間接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，間冷循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)控制要求如表1所示。

表1 間冷循環(huán)冷卻水質(zhì)量

目前，國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的間接空冷系統(tǒng)散熱器以鋁管鋁翅片(如Al1050A)為主，凝汽器多為不銹鋼材質(zhì)，循環(huán)水系統(tǒng)管道為碳鋼材質(zhì)，因而運(yùn)行中間冷循環(huán)水系統(tǒng)的pH值按含鋁材質(zhì)要求的7～8控制。

根據(jù)鋁材質(zhì)的特性可知，常溫下鋁材質(zhì)表面能形成Al2O3的鈍化膜，腐蝕鈍化區(qū)在pH=4.6～8.3，其在堿性環(huán)境下比酸性環(huán)境下更易發(fā)生腐蝕[1]。當(dāng)間冷循環(huán)水的pH值達(dá)到8.5時(shí)，鋁材質(zhì)開始腐蝕；pH值超過9.0時(shí)，鋁材質(zhì)的腐蝕會(huì)加速[2]。當(dāng)間冷循環(huán)水的pH值滿足含鋁材質(zhì)的運(yùn)行要求時(shí)，鐵基材質(zhì)的腐蝕速率會(huì)加快。因此，間冷循環(huán)水pH運(yùn)行值若控制不當(dāng)，可能會(huì)引起鋁制、鐵制設(shè)備或管道的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物懸浮或溶解在水中，造成水質(zhì)惡化。

1.2 機(jī)械因素引起的鈍化膜破損

通常，散熱器管束在生產(chǎn)加工時(shí)，會(huì)對(duì)材料表面進(jìn)行鈍化處理，形成鈍化保護(hù)層。間冷循環(huán)水系統(tǒng)容量龐大，在基建期間，若系統(tǒng)內(nèi)殘留了焊渣、臟物等雜質(zhì)，系統(tǒng)沖洗及投運(yùn)后，雜質(zhì)隨水流沖刷管材，破壞鈍化保護(hù)膜，一旦腐蝕點(diǎn)開始產(chǎn)生，腐蝕的進(jìn)程會(huì)被進(jìn)一步加快，造成水質(zhì)惡化。

某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)反饋的沖洗階段循環(huán)系統(tǒng)水質(zhì)情況如表2所示。

表2 間冷循環(huán)水系統(tǒng)沖洗階段水質(zhì)控制

從表2可看出，濁度由除鹽水第一次沖洗時(shí)的83.3NTU降至最后一次沖洗結(jié)束時(shí)的5.09NTU，pH值由7.72升高至8.50。濁度有明顯的降低，pH值升高，推測(cè)在前幾次沖洗時(shí)，可能發(fā)生了雜質(zhì)沖刷鈍化保護(hù)膜的現(xiàn)象。因沖刷鈍化保護(hù)膜破損，破損的地方呈活化狀態(tài)為陽極，未破損的地方保持鈍態(tài)為陰極，并與管束內(nèi)壁殘留的Cl-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而加速該區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，引起循環(huán)水pH值升高。具體反應(yīng)原理[3]如下：

1.3 碳鋼—鋁電偶腐蝕

據(jù)相關(guān)研究資料表明，中性除鹽水條件下，碳鋼-1050A純鋁的電位差約為480 mV，高于發(fā)生電偶腐蝕250 mV的條件[4]，因此兩種材質(zhì)接觸時(shí)易發(fā)生電偶腐蝕現(xiàn)象。電偶腐蝕中，碳鋼部件為陰極、鋁制部件為陽極。由于鋁的電位比碳鋼低，在形成電偶腐蝕后，鋁產(chǎn)生陽極極化，碳鋼產(chǎn)生陰極極化，鋁的電子會(huì)流向碳鋼，從而加速鋁的腐蝕。

間冷循環(huán)水系統(tǒng)的散熱器主要為鋁制，其他部位多以鋼制材料為主，兩種金屬接觸處會(huì)發(fā)生碳鋼—鋁電偶腐蝕，如冷卻三角進(jìn)出水管的鋼制膨脹節(jié)與鋁制散熱器，冷卻三角管束與聯(lián)箱結(jié)合部位等發(fā)生電偶腐蝕后，會(huì)引起電位較低的鋁制部件的腐蝕加速，惡化水質(zhì)。

1.4 閉式水系統(tǒng)與大氣相通

從水循環(huán)的設(shè)計(jì)角度來看，間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)是閉式循環(huán)系統(tǒng)，但從宏觀來看，間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)與外界大氣相通，主要體現(xiàn)在地下貯水箱、膨脹水箱的人孔和呼吸孔、每個(gè)冷卻三角的頂部和冷卻扇段的排氣管道等部位。空氣中的氧氣、塵埃等進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)后，可能會(huì)與循環(huán)水中的離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或因流動(dòng)沖刷引起鈍化層破損，從而加速間接空冷管材及設(shè)備的腐蝕，引起水質(zhì)惡化。

1.5 管材表面殘留鈍化工藝離子

鋁制設(shè)備及管材在出廠前會(huì)進(jìn)行表面處理，包括酸洗、脫脂、鈍化、封閉等步序，以增強(qiáng)抗腐蝕性能。根據(jù)表面處理工藝步序，可預(yù)測(cè)出廠的管材表面可能會(huì)殘留有Na+、Cl-等物質(zhì)[5]。由于出廠前未經(jīng)過充分的清洗，加之部分項(xiàng)目基建期限緊等因素，管材在現(xiàn)場(chǎng)安裝后，可能經(jīng)過簡(jiǎn)單沖洗便轉(zhuǎn)入正式運(yùn)行。若上述提及的離子雜質(zhì)殘留在系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)充水后這些離子會(huì)與碳鋼、鋁等材質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，尤其當(dāng)水中有鹵素離子存在時(shí)，鹵素離子易與Al3+離子絡(luò)合，不利于鈍化膜的形成。這些因素均會(huì)加速腐蝕。

2 間冷循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行控制措施

2.1 腐蝕泄漏部位的處理

1)對(duì)局部腐蝕管束的腐蝕部位加裝襯管，控制局部腐蝕問題。腐蝕的管束進(jìn)行整根更換或維修，檢修周期長(zhǎng)且費(fèi)用高。若僅對(duì)腐蝕部位進(jìn)行局部維修，如加裝襯管，可縮短檢修時(shí)間并節(jié)省維修費(fèi)用，并能有效控制局部腐蝕現(xiàn)象。

2)可在兩種材質(zhì)交界處采用陰極保護(hù)等手段，降低交接面的電位腐蝕傾向。

3)對(duì)間冷循環(huán)水系統(tǒng)的過流介質(zhì)部位進(jìn)行防腐，并定期對(duì)防腐部位進(jìn)行檢查，針對(duì)已防腐但又脫落的部位應(yīng)進(jìn)行防腐加固。

2.2 水質(zhì)調(diào)整及控制措施

間冷循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，應(yīng)充分了解系統(tǒng)內(nèi)材質(zhì)特性及水質(zhì)的pH控制要求，合理控制循環(huán)水的pH運(yùn)行范圍、電導(dǎo)率、懸浮物、鐵、鋁等離子含量，確保間冷循環(huán)系統(tǒng)水質(zhì)合格。因此，可采取以下措施。

2.2.1 間冷循環(huán)水換水

據(jù)了解，部分電廠針對(duì)間冷循環(huán)水pH值升高的問題，采取了換水的措施，即對(duì)間冷塔扇區(qū)排水，同時(shí)補(bǔ)充等量的除鹽水以確保循環(huán)系統(tǒng)水量穩(wěn)定。該措施需要更換大量的循環(huán)水，才能使間冷循環(huán)水的pH值降至合理范圍，廠內(nèi)制水及廢水處理系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)也會(huì)大大增加。國(guó)內(nèi)近期投運(yùn)的間冷機(jī)組均為高參數(shù)、大容量機(jī)組，間冷循環(huán)系統(tǒng)水容量大，若采用換水措施，會(huì)造成水資源浪費(fèi)，不利于環(huán)保節(jié)水要求。

2.2.2 間冷循環(huán)水處理

1)利用廠內(nèi)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)作為間冷循環(huán)水系統(tǒng)的處理設(shè)施

目前，已投運(yùn)的300 MW等級(jí)以上間冷機(jī)組，均會(huì)配置帶有離子交換工藝的凝結(jié)水精處理系統(tǒng)。電廠基建期間，若能安排好各工藝系統(tǒng)的調(diào)試投運(yùn)順序，在熱力系統(tǒng)未正式投入前，可通過臨時(shí)管道，將廠內(nèi)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)與間冷循環(huán)水系統(tǒng)連接，并用手動(dòng)閥門隔離。經(jīng)凈化處理后，間冷循環(huán)水質(zhì)可滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

2)間冷循環(huán)水系統(tǒng)配置一套移動(dòng)式旁路處理設(shè)施

據(jù)了解，此措施在個(gè)別電廠已有運(yùn)行案例，旁路處理設(shè)施配置為小陽床或小混床工藝，可用于降低間冷循環(huán)水的pH值，主要工藝流程為：間冷塔扇區(qū)進(jìn)水母管來水→(前置過濾器→)陽床/混床→地下貯水箱→補(bǔ)水泵→間冷循環(huán)水系統(tǒng)。

此措施可對(duì)間冷循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)改善有一定的效果，但采購(gòu)的移動(dòng)式旁路處理裝置，單臺(tái)出力均在40 t/h以上，實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，運(yùn)行后只能固定布置在間冷塔內(nèi)零米。結(jié)合間冷塔內(nèi)的環(huán)境因素，還要考慮以下問題：

①冬季停機(jī)期間設(shè)備防凍

移動(dòng)式處理設(shè)施的設(shè)備主體材質(zhì)為碳鋼襯膠，襯膠材質(zhì)耐受溫度要求不低于5℃。而冬季停機(jī)期間，間冷塔內(nèi)與外界環(huán)境溫度相同。因此若旁路處理設(shè)施布置于塔內(nèi)，需要采取封閉保溫措施，如布置在房間內(nèi)。間冷塔內(nèi)若增加房間，應(yīng)結(jié)合間冷塔的系統(tǒng)運(yùn)行要求，提前評(píng)估房間對(duì)間冷效果的影響。

Masson染色：將石蠟切片加入二甲苯進(jìn)行脫蠟，脫水，染色，透明、封片。采用Metic Med 6.0軟件計(jì)算心肌膠原纖維所占比例（collagen volume fraction，CVF），CVF=膠原面積/總面積×100%。

②再生問題

移動(dòng)式處理設(shè)施配置的離子交換器內(nèi)裝填了離子交換樹脂，運(yùn)行一段時(shí)間后，需進(jìn)行樹脂再生，要額外考慮再生設(shè)施。若處理設(shè)施布置于塔內(nèi)，很難實(shí)現(xiàn)完整的再生流程。據(jù)了解，部分電廠采用了將樹脂單獨(dú)掏出，移至他處再生，如利用凝結(jié)水精處理體外再生裝置或鍋爐補(bǔ)給水處理樹脂貯存罐完成樹脂再生，但實(shí)施起來較為繁瑣。

③廢水排放問題

若離子交換器固定布置在間冷塔內(nèi)，間冷塔內(nèi)無廢水排放設(shè)施，因此在處理設(shè)施區(qū)域需要單獨(dú)考慮設(shè)置離子交換器再生廢水收集及提升設(shè)施，并應(yīng)考慮廢水管道的排放去向及連接問題。

2.2.3 間冷循環(huán)水緩蝕處理

間冷循環(huán)水中投加緩蝕劑可有效降低系統(tǒng)腐蝕的程度[6]，據(jù)了解，各電廠采用過的緩蝕劑包括聯(lián)氨、羥胺、抗壞血酸、亞硫酸鹽和二氧化硫氣體等。但采用緩蝕劑處理方式時(shí)應(yīng)控制加藥量，若加藥量大，會(huì)引起循環(huán)水電導(dǎo)率升高，超過間冷循環(huán)系統(tǒng)的水質(zhì)控制要求。

3 間冷循環(huán)水系統(tǒng)投運(yùn)前控制措施

3.1 設(shè)計(jì)方面

1)設(shè)計(jì)前應(yīng)充分考慮間冷循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的材質(zhì)特性及差異，對(duì)間冷循環(huán)水系統(tǒng)里鋼制循環(huán)水管、膨脹水箱及地下貯水箱等鋼制設(shè)備內(nèi)壁應(yīng)設(shè)計(jì)防腐措施。

2)設(shè)計(jì)電控腐蝕控制的措施。控制電偶腐蝕的方法包括電絕緣措施，如在碳鋼—鋁兩種不同材質(zhì)的法蘭處設(shè)置絕緣墊片、絕緣螺栓套筒等，阻斷兩種材質(zhì)間的電子通路，可有效防止電偶腐蝕的發(fā)生。

3)為防止環(huán)境中雜質(zhì)污染循環(huán)冷卻系統(tǒng)水質(zhì)，建議間冷循環(huán)水系統(tǒng)與大氣相通處設(shè)置過濾網(wǎng)或過濾器等設(shè)施。

4)設(shè)計(jì)前應(yīng)充分了解其他同類型機(jī)組間冷循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及水質(zhì)控制情況，結(jié)合具體項(xiàng)目的設(shè)置特點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。經(jīng)綜合分析后，確定是否增加間冷循環(huán)水處理系統(tǒng)，并確定合適的水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

3.2 基建期間的系統(tǒng)維護(hù)

1)鋁材質(zhì)中混有的其他雜質(zhì)可能會(huì)影響鋁制設(shè)備和管材的性能，如力學(xué)性能、抗腐蝕性能等，建議安裝前應(yīng)復(fù)核到場(chǎng)供貨廠家提供的管材成分是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2)間冷循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備及管道安裝期間，應(yīng)避免造成管材的機(jī)械磨損或焊渣顆粒物的劃傷。安裝完成后，應(yīng)及時(shí)清理設(shè)備及管道表面的雜質(zhì)和顆粒物，確保水介質(zhì)接觸面完全清潔后，再通水沖洗，用除鹽水反復(fù)沖洗直至沖洗水化驗(yàn)合格為止。

4 結(jié)論和建議

間冷循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)惡化與兩方面因素相關(guān)，一是系統(tǒng)腐蝕，二是水質(zhì)調(diào)控。腐蝕問題是水質(zhì)惡化的根本原因，因此在進(jìn)行水質(zhì)調(diào)控前，應(yīng)先有效解決系統(tǒng)腐蝕問題，以便水質(zhì)調(diào)控能取得更好的效果。本文分析了間冷循環(huán)水系統(tǒng)可能發(fā)生的腐蝕原因，提出了針對(duì)性的解決方案，并列舉了幾類水質(zhì)調(diào)控的措施。針對(duì)間冷循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行，提出如下幾點(diǎn)建議：

1)間冷循環(huán)水系統(tǒng)管道及散熱器在制造期間，應(yīng)做好表面處理工藝，增強(qiáng)其抗腐蝕性能；運(yùn)輸過程中，應(yīng)做好所有接口的封堵措施，防止雜物進(jìn)入；現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試期間應(yīng)確保管道及散熱器表面的清潔，避免焊接殘留物劃傷管材表面的鈍化膜。間冷循環(huán)水系統(tǒng)投運(yùn)前，需用除鹽水沖洗干凈。

2)間冷循環(huán)水系統(tǒng)若采用鋁、鋼制等材質(zhì)，循環(huán)水運(yùn)行pH值應(yīng)盡可能兼顧兩種材質(zhì)的防腐要求。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，控制pH值在鋁鈍化區(qū)的臨界值附近，既能滿足鋁制設(shè)備鈍化層的完整性，又能確保鋼制設(shè)備或管道的腐蝕速率在可接受范圍內(nèi)。

3)切斷一切可能發(fā)生電偶腐蝕的接觸部位。

4)循環(huán)水中添加適量的緩蝕劑減緩可能會(huì)發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。

5)設(shè)計(jì)前應(yīng)綜合分析，確定是否需要對(duì)間冷循環(huán)水進(jìn)行水質(zhì)處理，并結(jié)合具體項(xiàng)目的情況，選取經(jīng)濟(jì)、合理、方便運(yùn)行的處理方案。