淺析城市中水在開式循環冷卻系統中的應用

曹銳杰，韓 煒

（山西臨汾熱電有限責任公司，山西臨汾041000）

0 引言

“中水”是城市污水經處理設施深度凈化處理[1]后的水（包括污水處理廠經二級處理再進行深化處理后的水和大型建筑物、生活社區的洗浴水、洗菜水等經集中處理后的水），其水質介于自來水（上水）與排入管道內污水（下水）之間，故稱為“中水”。因其自身硬度高、成分復雜多變的特點，回收應用以城市景觀用水和農田灌溉為主[2]。本文將城市中水（一級A）作為開式循環冷卻系統的補充水，通過采用新型循環水節水除垢劑，對循環水水質指標的控制進行研究，以拓寬城市“中水”的回用方向。

1 基本情況

1.1 系統情況

山西臨汾熱電有限公司（以下簡稱“臨汾熱電”）2×300 MW直接空冷供熱機組，配2×1 065 t/h煤粉鍋爐，尖峰冷卻循環水系統共有一排4座機力通風冷卻塔，單塔設計循環水量為4 700 m3/h，設計進塔水溫48℃、出塔水溫33℃，補水為城市中水（一級A），采用傳統阻垢緩蝕藥劑和殺菌劑處理，排污量大且凝汽器極易出現結垢現象，導致換熱不足，夏季高溫天氣下機組運行背壓高，煤耗增大[3]。

1.2 水質情況

補水以城市中水（RO+中水一級A）1∶1為主，偶爾補充備用水。城市中水（一級A）水質參數與國標要求（GB/T 50050—2017）對比如表1所示。

表1 城市中水（一級A）水質參數與國標要求（GB/T 50050—2017）對比表

1.3 系統問題及解決辦法

1.3.1 系統問題

城市中水中含有大量的鹽分，總硬度超高，在冷卻過程中不斷地蒸發、濃縮，凝汽器內部容易出現結垢現象，大大降低了傳熱效率；城市中水中含有大量的有機物、微生物菌落、分泌物等，在運行過程中與灰塵、泥沙形成質地松軟的污垢，不僅降低傳熱效率還引起垢下腐蝕，縮短設備使用壽命；城市中水對換熱設備的腐蝕，主要是電化學腐蝕，產生的原因有設備制造缺陷、水中充足的氧氣、水中腐蝕性離子（SO42-、Cl-、Fe2+、Cu2+）以及微生物分泌的黏液所生成的污垢等因素[4]，腐蝕會減少設備使用壽命[5]，嚴重時會損壞設備[6]。

1.3.2 解決辦法

通過直接投加新型循環水節水除垢劑[7]（專利號：201710887653.X），利用節水除垢劑中高分子聚合物絡合水中的鈣、鎂離子，并牢牢鎖住，達到阻垢的目的；利用節水除垢劑中活性物質的作用，使高分子聚合物逐步絡合已結在管壁的垢份，使其慢慢溶解、脫落，達到除垢的目的；通過節水除垢劑對鈣、鎂離子的絡合和去除性能，使循環水邊運行邊軟化，提高濃縮倍數，實現節水的目的；在除垢結束后，高分子聚合物在系統內壁絡合形成保護膜，大大延長了設備使用壽命；通過切斷菌落的營養物質，達到抑制細菌生長的目的。

2 運行方案

循環水中氯離子的質量濃度控制在700 mg/L以下[8]，滿足國標GBT 50050—2017的要求，依據氯離子的指標控制濃縮倍率在5～6倍運行；每臺循環水泵出力必須≥80%，以保證凝汽器的水通量；依據尖峰系統設計要求，控制凝汽器出水溫度≤50℃，允許短期內超過50℃但不超55℃，時間不超過1h；每日對來水和循環水指標進行監控，及時排污，安排專人負責加藥。依據藥劑廠家提供的節水除垢劑藥劑性能，第一次投加量為60 g/t（水量以保有水量計）；前期按30 g/t投加（水量以補充水量計），后期依據運行參數逐步調整，達到最優投加量。新型藥劑投加期間停止原緩蝕阻垢劑的加入，為保證殺菌效果，每周加殺菌劑一次[9]。

計劃每天運行15 h以上，循環水濃縮倍率＞5倍，實際運行時控制濃縮倍率在5.5倍左右。

3 運行參數與分析

3.1 循環水水質指標走勢與分析

圖1為濃縮倍率變化圖，圖2為總硬度變化圖，圖3為電導率變化圖，圖4為氯離子變化圖。

圖1 濃縮倍率變化圖

圖2 總硬度變化圖

圖3 電導率變化圖

圖4 氯離子變化圖

本次試驗以氯離子比值作為濃縮倍率，最終濃縮倍率穩定在5.5倍，節水、減排效果非常顯著；循環水總硬度隨濃縮倍率增加而增加，達到一定濃度后，于6月18日開始逐步下降，7月6日降至40 mmol/L以下，9月2日降至30 mmol/L以下，穩定后總硬度在25 mmol/L左右，電導率穩定在5 500μS/cm左右，說明藥劑的自軟化性能已經體現，大量的Ca2+、Mg2+離子被絡合后予以去除。

3.2 凝汽器進出口溫差走勢及分析

圖5為1號凝汽器溫差變化圖，圖6為2號凝汽器溫差變化圖，圖7為1號機端溫差變化圖，圖8為2號機端溫差變化圖。

圖5 1號凝汽器溫差變化圖

圖6 2號凝汽器溫差變化圖

圖7 1號機端溫差變化圖

圖8 2號機端溫差變化圖

凝汽器端差會隨著負荷、水量、進口水溫、環境溫度等因素變化而變化，9月份系統運行穩定后，1號機端差平均值為6.6℃，2號機端差平均值為7.9℃，說明藥劑阻垢效果明顯，運行穩定；2臺凝汽器換熱溫差基本穩定，1號機平均溫差為12.69℃，2號機平均溫差為18.44℃；1號凝汽器的運行效果明顯好于2號凝汽器，待2號凝汽器清洗管束干凈后，隨著換熱效率的提高會有所改善；1號機組9月份平均負荷為257 MW，背壓12.26 kPa，環境溫度平均25.87℃，與尖峰系統性能試驗報告十分接近，降背壓效果優良；2號機組平均負荷為252 MW，背壓16.95 kPa，環境溫度平均25.87℃，與性能試驗報告也很接近，降背壓效果良好。

凝汽器分別于5月11日、6月15日、7月31日、10月9日4次打開檢查，均未發現結垢、腐蝕現象，人孔內無微生物附著、無腥氣味，藥劑的阻垢、抑菌性能顯著。

3.3 腐蝕速率監測

通過在循環水池內掛片檢測腐蝕速率，結果如表2所示。由表2可知，新型節水阻垢劑的加入對鋼材的腐蝕符合國標要求。

表2 腐蝕速率監測結果

4 經濟效益分析

按照9月份的負荷和1號機、2號機尖峰實驗報告綜合能耗影響數據，按平均運行12 h、總運行天數150 d、煤價平均350元/t、濃縮倍率5.5倍計算，采用節水除垢劑技術后，節煤費用354.55萬元，用水費用125萬元（水價按2.16元/t計算），藥劑費用134萬元，總節煤費用95.55萬元。同等出力條件下，常規技術全年水費764.69萬元、藥劑費用190萬元，合計954.69萬元，采用節水除垢劑技術后，全年水費550.17萬元、藥劑費用200萬元，合計750.17萬元，共節約費用204.52萬元。

5 結論

通過4月29日至9月30日的運行，以城市中水（一級A）為水源，尖峰系統水質指標逐步穩定，pH值在8.5～9.5之間，濃縮倍率為5.5倍，氯離子控制在700 mg/L以下，通過試驗達到了以下目的。

a）城市中水（RO+中水一級A）1∶1作為補水水源，使用新型節水除垢劑能夠穩定水質，確保系統安全、穩定地運行。

b）系統端差、溫差基本穩定，說明系統無結垢現象，新型節水除垢劑的阻垢效果顯著。

c）1號、2號凝汽器管板及水室支架所附著的水垢與泥沙混和物基本被沖洗干凈，藥劑除垢效果初顯。

d）通過對循環水池掛片的監測，腐蝕速率遠遠低于國標要求，藥劑的緩蝕效果顯著。

e）打開人孔后無腥氣味，內部無微生物附著物，抑菌效果顯著。

f）濃縮倍率由原來常規加藥控制時的2.5倍提高到5～6倍，減少排污，降低用水量，節水效果顯著。

g）系統運行時間由6 h/d延長到12 h/d，增加了1倍，有效降低了煤耗，經濟效益顯著。

h）4臺4700m3/h通風冷卻塔全年所節約耗水費用204.52萬元（水單價越高，節約費用越高）。

i）節水28.05%，減排70.06%，城市中水的大量工業應用在節約水資源及水的綜合梯級利用上大有潛力，環保效益十分可觀[10]。