大型調相機組循環水阻垢緩蝕劑性能分析及應用

李貴海，郝亞楠，高 堅，張瑞強，亓秋波

（山東電力研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

調相機是特高壓直流系統的無功補償設備，隨著電力系統規模不斷擴大和復雜化，調相機原有的單機容量已遠遠不足以滿足當前的電網調節需求，其單機容量從不足30 Mvar 提高到超過300 Mvar。調相機是在發電機的基礎上改進而成的，溫升作為發電機設計的關鍵指標之一，對于調相機同樣重要，直接關系到設備的壽命及運行可靠性。優良的冷卻系統對控制機組的溫升起著至關重要的作用［1-2］。水作為比熱容較大的冷卻介質，是機組的首選。國內調相機循環冷卻水系統是機組通過內冷水系統及油冷系統帶出熱量的最終出口，循環水質的穩定是保證循環水系統正常運行的重要前提。阻垢緩蝕劑地應用是保證循環水質的一種良好辦法，動態模擬試驗是研究具體加藥工藝的首選辦法。

國內某調相機裝機容量為2×300 Mvar，循環水補充水為地表水。為做好調相機組水資源利用優化，即要做好循環冷卻水系統的防腐、防垢、防菌藻工作，進行循環冷卻水處理優化方案的試驗，并做好生產過程中的循環水處理工作，切實保證機組的安全、穩定、經濟運行。按照各機組循環冷卻水補充水水質及冷卻水系統運行情況要求，進行循環水系統的防腐防垢靜態、動態模擬試驗及極限碳酸鹽硬度試驗。在確保循環水系統不發生腐蝕、結垢的前提下，確定循環水的濃縮倍率及加藥濃度，從而提高凝汽器等熱力設備的使用壽命，促進機組節水水平的提高。

1 試驗部分

1.1 補充水水質分析

對地表水進行水質分析［3-5］，分析指標如表1所示。

表1 試驗水樣的主要水質指標

2.2 循環水小型阻垢試驗

2.2.1 試驗原理及設備

循環水小型阻垢試驗使用RCC-Ⅲ型旋轉掛片腐蝕試驗儀（如圖1），試驗旨在通過靜態水質的濃縮試驗，按照預期的氯離子濃縮倍率KCl開展試驗。當試驗達到氯離子的濃縮倍率時，將通過計算氯離子濃縮倍率KCl與鈣離子濃縮倍率KCa差值得到ΔB，即ΔB＝KCl-KCa。當ΔB＞0.2時，認為該試驗存在結垢傾向。

圖1 RCC-Ⅲ型旋轉掛片腐蝕試驗儀

2.2.2 試驗方案及結果

取30 L水樣，加入適量硫酸調整堿度，確保濃縮后循環水的堿度在6.0 mmol∕L 左右。量取8 L 試驗水樣，加入質量濃度為10.0 mg∕L 阻垢緩蝕劑，定義為試驗一；量取8 L 試驗水樣，加入質量濃度為15.0 mg∕L 阻垢緩蝕劑，定義為試驗二；量取8 L 試驗水樣，加入質量濃度為20.0 mg∕L 阻垢緩蝕劑，定義為試驗三。將水樣置于旋轉掛片腐蝕試驗儀中，攪拌升溫至45 ℃，并保持水溫在（45±1）℃。試驗后期，取樣測定氯離子含量，當氯離子濃縮倍率達到4.0倍時，藥劑的阻垢試驗結束。試驗結束后，分析循環水的堿度、硬度、鈣硬、氯根等指標，計算阻垢劑的阻垢效率［6］，試驗結果見表2和表3，藥劑的質量濃度和阻垢率關系如圖2所示。

表2 阻垢性能試驗的數據分析

圖2 藥劑的阻垢率（鈣）試驗結果

表3 藥劑的阻垢性能試驗結果

當向以地表水作為循環水補充水樣中分別加入質量濃度為10.0 mg∕L、15.0 mg∕L 和20.0 mg∕L 的阻垢劑，濃縮倍率在4.0倍時，試驗結果表明，阻垢劑質量濃度達到15.0 mg∕L時可以滿足阻垢要求［7-8］。

在試驗結束后計算ΔB，結果見表4。當ΔB大于0.2時，即認為循環水開始出現結垢現象。

表4 循環水的ΔB值

2.3 循環水小型腐蝕試驗

2.3.1 試驗原理

循環水小型腐蝕試驗旨在探索特定阻垢緩蝕劑濃度下，金屬材質的腐蝕狀況。通過模擬實際運行循環水質，以TP316L 型和TP304 型不銹鋼材質腐蝕試片進行試驗，測定該運行工況下的腐蝕速率。

2.3.2 試驗方法及試驗結果

將TP316L 不銹鋼、TP304 不銹鋼標準試驗掛片安裝在試驗儀器的旋轉軸上。取兩個容積為2 L 的玻璃杯，放入阻垢試驗后的循環水樣，讓旋轉軸上的試驗掛片浸沒入燒杯內的試驗水樣中，啟動電動機，使試驗掛片按一定旋轉速度轉動，并開始計時。試驗過程中定時往燒杯中補充除鹽水，以維持燒杯的水位和溶液濃度不變。每5 天在循環水中按藥品50%的衰減規律，補充50%加藥量的阻垢緩蝕劑［6］。

將試片用毛刷洗凈，再在酸洗溶液中浸泡3～5 min，取出，迅速用水沖洗后，立即浸入NaOH 溶液中約30 s，取出，用水沖洗，再用濾紙擦洗并吸干，在無水乙醇中浸泡約3 min取出用濾紙吸干，置于干燥器中4 h 以上，稱重，精確到0.000 1 g，試片的失重情況和均勻腐蝕速率見表5。

表5 試片的均勻腐蝕速率

通過對10 mg∕L、15 mg∕L、20 mg∕L 3 種加藥濃度腐蝕速率分析，考慮到調相機組的經濟運行，選用質量濃度為15 mg∕L阻垢緩蝕劑較為合理。

2.4 極限碳酸鹽硬度測量試驗

2.4.1 試驗原理及儀器

為探索質量濃度為15.0 mg∕L的阻垢緩蝕劑的阻垢效果，使用DRDT型水垢測定儀開展循環水動態模擬試驗，當試驗存在結垢傾向時，循環水中的硬度離子與堿度離子處于飽和狀態，若繼續進行濃縮試驗，循環水中將有沉淀產生，這一飽和狀態下的水質離子含量將為后期實際運行工況提供指標要求。試驗通過判斷氯離子濃縮倍率KCl與堿度濃縮倍率KA差值判斷循環水是否存在結垢傾向，即ΔA值（ΔA=KCl-KA）。

2.4.2 試驗方法及試驗結果

向補充水中加入15.0 mg∕L 阻垢緩蝕劑后，置于水垢測定儀（圖3、圖4）的補水箱中，開啟水垢測定儀，設定水溫為45 ℃，并保持水溫在（45±1）℃，濃縮同時自動補加水樣（補充水中加入相同劑量的水穩劑），維持水位不變。試驗過程中，定期從設備中取樣，測定總堿度和氯離子含量，并繪制循環水濃縮過程的運行曲線（見圖5），計算ΔA，當以水中的堿度和氯離子的濃縮倍率為測定結果時，隨著運行過程中濃縮倍率提高，ΔA逐漸增大，當差值ΔA大于0.2 時，即認為循環水開始出現結垢現象。曲線中ΔA未超過0.2時的最高濃縮倍率，此點對應的循環水碳酸鹽硬度即為此阻垢劑加藥條件下的極限碳鹽硬度，計算出極限濃縮倍率（表5）。

圖3 DRDT型水垢測定儀

圖4 試驗裝置流程

圖5 循環水濃縮過程的運行曲線

由表6 知，阻垢緩蝕劑的極限碳酸鹽硬度為1.50 mmol∕L，采用地表水不加酸時可達到濃縮倍率為2.69倍。

表6 極限碳酸鹽硬度試驗結果

3 阻垢緩蝕劑在調相機組的應用

以地表水作補充水，加入質量濃度為15.0 mg∕L阻垢緩蝕劑產品，控制循環水系統穩定傳熱溫度，通過水質分析和凝汽器污垢熱阻分析進行循環水結垢情況判斷。運行初期進行循環水濃縮，當達到循環水要控制的極限碳酸鹽硬度1.50 mmol∕L，為進一步提高濃縮倍率，應及時加酸將一部分碳酸鹽硬度轉化成硫酸鹽硬度，并保持循環水的碳酸鹽硬度值不超過該阻垢劑下的極限碳酸鹽硬度，才能達到應有的防垢效果。根據生產實際用水及阻垢緩蝕劑性能情況，濃縮倍率較高時，循環水中的雜質離子，如氯離子可能會有局部濃縮情況，造成凝汽器管或者輔機的腐蝕，為達到防腐、防垢、節水等方面的協調，試驗控制循環水濃縮倍率為4.0倍［9-10］。

運行持續跟蹤288 h，硬度、氯根、鈣離子濃縮倍率運行曲線如圖6 所示，硬度、鈣離子、鎂離子阻垢率運行曲線如圖7所示。

圖6 動態模擬試驗濃縮倍率運行曲線

圖7 動態模擬試驗阻垢率運行曲線

由圖6、圖7 可知，加入質量濃度為15.0 mg∕L 阻垢緩蝕劑的加藥工藝，系統阻垢效果良好，不存在明顯的結垢傾向，系統安全穩定運行。

4 結語

調相機循環水系統水質的危害主要在于結垢與腐蝕，系統結垢的起源于水質硬度及堿度指標，水質中離子濃度的高低決定材質的腐蝕情況，不同濃度的阻垢緩蝕劑對系統的影響也是不同的。

循環水模擬試驗對阻垢緩蝕劑的防垢和防腐性能進行綜合評價，將最佳加藥工藝和各項運行指標應用于調相機組。在保證機組安全經濟運行的前提下，使水資源得以最大利用，起到了節能減排的效果。