基于重復(fù)性的單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水回收利用技術(shù)

王闖

摘 要 為了避免循環(huán)水長期停用造成大量污水排放，同時針對單元機(jī)組頻繁啟停和長時間停運(yùn)，無法實(shí)現(xiàn)對臨機(jī)冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水回收利用的問題，提出基于重復(fù)性的單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水回收利用技術(shù)。分析循環(huán)水對單元機(jī)組冷卻水塔的腐蝕速率，獲取單元機(jī)組冷卻水塔液位和循環(huán)水的水質(zhì)，采用優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式，結(jié)合循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式和設(shè)備特性，實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水的重復(fù)性回收利用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)該方法優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式之后，兩臺機(jī)組冷卻水塔的腐蝕率都達(dá)到了國標(biāo)要求，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益，強(qiáng)化了循環(huán)水系統(tǒng)的重復(fù)利用性，進(jìn)而提高了機(jī)組的安全可靠性。

關(guān)鍵詞 循環(huán)水 回收利用 重復(fù)性 冷卻水塔 單元機(jī)組 腐蝕速率

中圖分類號 TM223? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0133?05

在我國北方，以濕法制冷為主的熱電廠，其循環(huán)用水大部分是來自冷卻水系統(tǒng)［1］。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，采用循環(huán)泵將冷卻水引入冷凝裝置進(jìn)行熱交換，然后將冷卻水通過冷卻水塔冷卻后進(jìn)入冷卻水塔的底層蓄水池，最后通過循環(huán)泵將其輸送到凝汽器中進(jìn)行循環(huán)利用，但由于兩個冷卻水塔之間沒有連接管道或潛泵，因此不能對冷卻水塔的內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行再生利用，也不能提高冷卻水塔的循環(huán)水質(zhì)量［2］。隨著新能源發(fā)電裝置規(guī)模的不斷增加，對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，燃煤電廠的開關(guān)率也越來越高，已成為一種普遍現(xiàn)象［3］。2018年，國能孟津熱電有限公司兩套600 MW機(jī)組17次啟動、停機(jī)，造成塔內(nèi)大量循環(huán)水長期停用，大量的污水被排放，因此，對冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水回收利用技術(shù)進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

陳杰等通過模擬計(jì)算，在電廠冷凝器內(nèi)增加了一組高效的熱源，實(shí)現(xiàn)了對冷凝器的再熱回收［4］。根據(jù)夏季機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，在冬季進(jìn)行抽汽供暖時，對4.9 kPa和280/250 MW的電負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算，得出了不同環(huán)境溫度下機(jī)組的熱負(fù)荷，確定了相應(yīng)的凝汽器分區(qū)運(yùn)行模式，電站實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相比于傳統(tǒng)的分區(qū)式冷凝系統(tǒng)，引入了換熱器區(qū)域之后，可以在冷熱系統(tǒng)中回收剩余蒸汽，從而得到更多的余熱，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。胡大龍等針對循環(huán)廢水的水質(zhì)特性提出了一種回收處理方法［5］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，加強(qiáng)混凝能夠去除廢水中的部分有機(jī)物，去除COD和TOC的效率均為61.2%，對膜體系造成的有機(jī)污染也會有所緩解；在二次軟化處理中，Ca2+的脫除率可以達(dá)到86.5%，Mg2+的脫除率可以達(dá)到92.5%，總磷的脫除率可以達(dá)到97.9%，全硅的脫除率可以達(dá)到84.3%，TOC的脫除率可以達(dá)到27.4%。RO的產(chǎn)水可以用作鍋爐的補(bǔ)充用水，而RO的濃縮水則可以用作煙氣的脫硫處理。

基于以上研究背景，筆者利用重復(fù)性原則，對火電廠單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)行回收利用，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水的重復(fù)性利用。

1 內(nèi)循環(huán)水回收利用技術(shù)

1.1 內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)概況

目前，電站實(shí)施了廢渣處理的節(jié)能措施，采用弱酸法對單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行處理后［6］，再將輔助機(jī)組的冷卻液補(bǔ)充到循環(huán)水中［7］。現(xiàn)有的水廠循環(huán)水補(bǔ)給能力為1 800 t/h，排放水量400 t/h，其濃縮倍數(shù)約為3倍。大部分的廢渣、廢水已經(jīng)全部被循環(huán)利用，沒有再從外部排放［8，9］，從而大幅度減少了灰和渣系統(tǒng)的耗水量，使循環(huán)水的排放廢水不能進(jìn)入灰渣系統(tǒng)。為了節(jié)約能源，達(dá)到環(huán)境保護(hù)要求，發(fā)電廠要求污水處理達(dá)到零排放。

1.2 分析循環(huán)水對單元機(jī)組冷卻水塔的腐蝕速率

國能孟津熱電有限公司的兩臺600 MW機(jī)組，分別采用SUS304和SUS316L兩種不銹鋼作為冷卻水塔的材料，由于循環(huán)水呈堿性且含有氯離子，會加速冷卻器的腐蝕，因此，在不同濃度下，分析了氯離子和硫酸根離子共存時，氯離子對兩種不銹鋼的腐蝕情況，如圖1所示。

對不銹鋼SUS304和SUS316L的腐蝕情況

由圖1可以看出，當(dāng)氯離子的濃度低于600ppm（1ppm=1×10-6）時，沒有發(fā)生任何的腐蝕現(xiàn)象；當(dāng)氯離子與硫酸根的濃度在600ppm以上時，腐蝕介質(zhì)明顯增多，出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象。

水中氯離子與堿度共存時，氯離子和堿度不同比值r對不銹鋼SUS304和SUS316L的腐蝕速率如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)氯離子的濃度一定時，堿度越大，兩者的比值r就越小，不銹鋼的平均腐蝕速率越小；當(dāng)氯離子的濃度一定時，堿度越小，兩者的比值r就越大，不銹鋼的平均腐蝕速率越大。因此，在增加氯離子的含量時，適當(dāng)增大溶液的堿度，可以有效阻止腐蝕的產(chǎn)生。

當(dāng)前，在循環(huán)冷卻液中，硫酸根離子的濃度在1 000～1 200ppm之間，而總堿度在50～80ppm之間，因此，要想將氯離子的控制量提升到700ppm，就必須調(diào)整硫酸根離子和堿度的控制量［10］，以抑制過高的氯離子濃度對腐蝕速率的影響。

1.3 獲取單元機(jī)組冷卻水塔液位和循環(huán)水的水質(zhì)

利用超聲波液位計(jì)獲取單元機(jī)組冷卻水塔的液位，超聲波發(fā)射的波長和反射波長符合重復(fù)性原則。首先在超聲波的反射波長范圍內(nèi)，將傳感器探頭安裝在水塔頂部，然后利用超聲波的重復(fù)性原則［11］，穿透冷卻水塔的液體對循環(huán)水的水質(zhì)進(jìn)行檢測，最后將測量結(jié)果反射到傳感器探頭上。

假設(shè)超聲波在冷卻水塔中的傳輸距離為Xc，傳輸時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為vq，那么存在如下關(guān)系：

根據(jù)式（1），可以獲取兩臺單元機(jī)組冷卻水塔的液位，從運(yùn)行參數(shù)控制和化學(xué)監(jiān)督角度考慮［12］，國能孟津熱電有限公司的冷卻塔，其高度為1.40～1.75 m。

1.4 優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式

在單元機(jī)組啟停期間，根據(jù)兩臺機(jī)組冷卻水塔液位，對水塔內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹貜?fù)性利用，可以有效地減少備用機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)啟動時間，提高汽輪機(jī)的循環(huán)水質(zhì)量。在正常工作期間，根據(jù)兩臺機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水的氯離子濃度，通過連接式潛水泵，對兩個冷卻器的循環(huán)水進(jìn)行調(diào)節(jié)［13］，以提高循環(huán)水的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)污水排放的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，對循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化，如圖3所示。

國能孟津熱電有限公司兩臺600 MW機(jī)組采用了雙曲線自然通風(fēng)的逆向循環(huán)水冷卻器，其外部構(gòu)造如圖4所示。

冷卻水塔的相關(guān)參數(shù)如下：

冷卻塔總高度H 150 m

底部直徑dB 113.39 m

水池直徑 117.4 m

水池深度 2 m

進(jìn)風(fēng)口高度 10 m

喉部直徑 67 m

出口直徑dA 70 m

淋水面積 8 540 m2

1.5 工藝流程

單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水回收利用的工藝流程如圖5所示。

圖5中，由于熱交換器1具有吸收熱量的作用，因此循環(huán)水通過入口管道被輸送到熱交換器1中進(jìn)行降溫，然后流入蓄水池或者凝汽器中。并利用熱泵冷卻系統(tǒng)對凝汽器排出的凝結(jié)水進(jìn)行加熱，完成熱量回收。

1.6 實(shí)驗(yàn)方法

在兩個單元組冷卻器的冷卻塔間加裝一根聯(lián)絡(luò)管道，并在每個冷卻器中各加上兩個7.5 kW的水泵，其工作電流為15 A，額定輸出能力為100 t/h，現(xiàn)場設(shè)有一個電源控制器（電源從附近提供）。可根據(jù)冷卻塔的水位和水質(zhì)狀況，對兩個水泵進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)［14］。

按照上述方法，將實(shí)驗(yàn)時間設(shè)定為2022年5月1日～2022年6月19日，分別在單臺機(jī)組運(yùn)行和兩臺機(jī)組運(yùn)行情況下，對單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水重復(fù)性利用情況進(jìn)行測試。

當(dāng)運(yùn)行機(jī)組循環(huán)水中氯離子濃度小于850ppm時，將備用裝置冷卻塔內(nèi)的循環(huán)水引入到運(yùn)行單元進(jìn)行再利用。

當(dāng)運(yùn)行機(jī)組循環(huán)水氯離子濃度大于900ppm時，將機(jī)組冷卻水塔內(nèi)的循環(huán)水排到備用設(shè)備中，增加機(jī)組冷卻水塔的補(bǔ)充水量，從而提高單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的水質(zhì)。

2 結(jié)果分析

利用上述實(shí)驗(yàn)方法，測試了國能孟津熱電有限公司兩臺600 MW機(jī)組冷卻水塔腐蝕速率與氯離子濃度、堿度的關(guān)系，如圖6、7所示。

根據(jù)圖6可知，紅色框內(nèi)，氯離子濃度在600～700ppm，因堿度控制在80ppm左右，所以腐蝕速率控制在1 mpy（1 mpy=0.0254 mm/a）左右；黃色框內(nèi)，氯離子濃度在700ppm左右，堿度在60ppm左右，因堿度緩沖能力下降，使氯離子加劇腐蝕，腐蝕速率在2 mpy左右；藍(lán)色框內(nèi)，當(dāng)氯離子濃度在700～850ppm，堿度在60ppm左右，腐蝕速率有時超過了3 mpy。

根據(jù)圖7可知，紅色框內(nèi)，氯離子濃度在650～800ppm，堿度在40～80ppm時，冷卻水塔腐蝕速率平均約為2.5 mpy；黃色框內(nèi)，氯離子濃度在650ppm，堿度在40ppm左右時，氯離子的腐蝕反應(yīng)加劇，冷卻水塔腐蝕速率為1.5 mpy左右；藍(lán)色框內(nèi)，當(dāng)氯離子濃度為550～650ppm，堿度在60ppm左右時，冷卻水塔腐蝕速率平均約為0.8 mpy。

根據(jù)以上結(jié)果，對比了兩臺機(jī)組的冷卻水塔腐蝕速率，具體見表1。

從表1的結(jié)果可以看出，優(yōu)化了循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式之后，兩臺機(jī)組冷卻水塔的腐蝕速率都達(dá)到了國標(biāo)要求（小于3 mpy），可避免備用機(jī)組長期停用時冷卻水塔內(nèi)暫存的循環(huán)水水質(zhì)惡化，從而實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水的回收利用，強(qiáng)化了循環(huán)水系統(tǒng)的重復(fù)利用性。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

采用新的冷卻水塔循環(huán)水運(yùn)行模式，可以防止在備用設(shè)備長時間不使用期間，冷卻水塔中的循環(huán)水質(zhì)量下降，從而實(shí)現(xiàn)重復(fù)性利用。啟動停備機(jī)組后，將運(yùn)行在機(jī)組冷卻水塔內(nèi)的循環(huán)水排到備用設(shè)備中，使系統(tǒng)的啟動時間縮短最少一個小時。國能孟津熱電有限公司2×600 MW機(jī)組，循環(huán)水的補(bǔ)給來源為城市用水，備用水為黃河水，在常規(guī)操作中，冷卻塔的水位控制在1.40～1.75 m（相應(yīng)水量14 000～17 500 t），當(dāng)機(jī)組停機(jī)后，采用優(yōu)化后的循環(huán)水運(yùn)行方式，可回收循環(huán)水量約15 000 t，對其回收利用后，節(jié)約水費(fèi)大約34 500元（中水價格為每噸2.3元），若沒有優(yōu)化循環(huán)水的運(yùn)行方式，將造成此循環(huán)水外排，產(chǎn)生外排廢水費(fèi)用約1 350元（排污費(fèi)單價為每噸0.09元），共計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約35 850元。

4 結(jié)束語

提出了基于重復(fù)性的單元機(jī)組冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水回收利用技術(shù)，強(qiáng)化了冷卻水塔內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)的重復(fù)利用性，有效提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。在今后的研究中，還要繼續(xù)挖掘設(shè)備的潛力，使設(shè)備在最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)對循環(huán)水進(jìn)行重復(fù)利用。

參 考 文 獻(xiàn)

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