熔鹽塔式光熱發(fā)電工程化學補給水系統(tǒng)處理工藝優(yōu)化

馬飛云,唐培隆,田志毅

(共和西北水電光熱發(fā)電有限公司 青海 共和 813000)

1 概 況

中電建青海共和50 MW熔鹽塔式光熱發(fā)電工程(以下簡稱“共和光熱工程”)是帶儲熱的熔鹽塔式太陽能發(fā)電站?；瘜W補給水系統(tǒng)原水水源為工程所在地塔拉灘地下水(井深約300 m)。每口井的出水量約36 m3/h，化學補給水處理共2套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)處理能力為10 m3/h，系統(tǒng)由2臺超濾裝置，2套一級反滲透裝置，2套二級反滲透裝置，2套電除鹽裝置(EDI)組成，采用并聯(lián)方式運行，每套設備也能單獨運行。設備運行的工藝流程為：地下井水(共有3眼井)由深井泵、管路進入工業(yè)水池，在工業(yè)水池中進行初步自然沉降澄清，然后由化學超濾提升泵提升壓力后直接進入超濾裝置進行過濾，超濾產(chǎn)水依次通過反滲透系統(tǒng)和EDI系統(tǒng)將水中的鹽類物質(zhì)除去，合格的除鹽水進入除鹽水箱后，由除鹽水泵供至機房和各用水點[5],補給水處理工藝詳見圖1。另外，系統(tǒng)自清洗過濾器排水、超濾反洗排水、一級反滲透(RO)排放的濃水，收集至工業(yè)廢水池，送至工業(yè)廢水處理系統(tǒng)進行處理，回收至超濾水箱循環(huán)利用。為最大限度的節(jié)水，二級反滲透濃水和EDI裝置濃水均接至超濾水箱回收利用[1]。

1.1 補給水處理系統(tǒng)運行情況

共和光熱工程補給水系統(tǒng)于2019年6月22日正式進入全面調(diào)試階段，調(diào)試超濾系統(tǒng)過程中發(fā)現(xiàn)原水水質(zhì)差，運行一段時間后，超濾進口流量計內(nèi)壁上沉積有土黃色的附著物，超濾反洗時，水質(zhì)渾濁，說明超濾膜表面堆積的雜質(zhì)較多。超濾系統(tǒng)運行周期縮短，由2 400 s下降至1 500 s，導致反洗頻繁，反洗用水量多，產(chǎn)水流量減少，同時發(fā)現(xiàn)超濾裝置的進出口壓差上升較快，超濾膜化學清洗周期明顯縮短。

7月3日，反滲透系統(tǒng)進入試運行階段，7月26日發(fā)現(xiàn)1號反滲透系統(tǒng)在正常制水過程中，一級反滲透出水電導率有明顯的上升趨勢，由20 μs/cm緩慢上升至46 μs/cm，持續(xù)運行1個小時后電導率突然上升至200 μs/cm，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 1號反滲透系統(tǒng)運行數(shù)據(jù) /(μs·cm-1)

從表1數(shù)據(jù)看出，一級反滲透產(chǎn)水電導率有明顯上升趨勢，經(jīng)檢查，確認一級反滲透系統(tǒng)膜組件存在結垢問題，停運1號反滲透系統(tǒng)對其進行了化學清洗?；瘜W清洗后投運，反滲透系統(tǒng)出水電導率指標恢復正常。

對于超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)在投運后短期內(nèi)出現(xiàn)的運行周期短、膜結垢等問題，參考同行業(yè)、國內(nèi)同類水處理設備實際運行狀況，需要進一步分析并采取措施。

1.2 超濾系統(tǒng)概況

共和光熱工程化學補給水處理系統(tǒng)中，超濾裝置膜組件采用陶氏中空纖維壓力式膜組件，有效面積為77平方米。超濾膜的材質(zhì)采用聚偏氟乙烯(PVDF)，聚偏氟乙烯膜有良好的耐熱性、耐腐蝕性。在運行中，超濾系統(tǒng)進水要求符合下表(詳見下表)，經(jīng)超濾膜后，出水指標要求達到濁度≤0.2NTU、淤泥密度指數(shù)SDI≤3.0，然后供反滲透RO系統(tǒng)進一步深度除鹽。

表2 超濾膜進水水質(zhì)要求

塔拉灘地下水濁度和色度超標，水中有較大的魚腥氣味。目測水表面有油類狀物質(zhì)，地下水濁度是超濾膜進水要求的4倍。超濾膜雖然對于濁度含量高的水質(zhì)有絕對的去除作用，但濁度含量高，對中空纖維超濾膜的危害是極為嚴重，特別是膠體粒子帶有電荷，是物質(zhì)分子和離子的聚合體，所以膠體能在水中穩(wěn)定存在，該膠體物質(zhì)一旦粘附在膜表面，反洗很難清除。當水中濁度高，化學反洗頻繁，反洗強度和時間如果沒掌握到位時，膜就會被水中的微小顆粒和膠體堵塞，引起水流阻力上升，產(chǎn)水量下降和污物漏泄量增加。必要時要進行化學清洗才能恢復過濾能力，但是化學清洗時酸堿清洗劑對超濾膜有氧化和降低中空纖維膜絲機械強度的危害，從而影響超濾膜的使用壽命。

1.3 反滲透系統(tǒng)概況

反滲透膜材質(zhì)和設備運行方式共和光熱工程反滲透系統(tǒng)由兩級反滲透(RO)組成，一級主要用于去除水中各種溶解固形物即鹽份。二級反滲透主要用于進一步去除水中各種溶解固形物即鹽份。反滲透組件采用渦卷式芳香族聚酰胺陶氏復合膜，一級RO為2套出力2×12 m3/h的復合膜裝置，其排列方式是一級二段(2∶1)，共30(根/套)膜元件，回收率是75%。二級RO為2套出力2×11 m3/h的復合膜裝置，其排列方式是一級二段(2∶1)，共24根/套膜元件，回收率是90%。一級反滲透的二段濃水排到地溝，二級反滲透的二段濃水排到超濾水箱。芳香族聚酰胺陶氏復合膜是從大量的高分子材料中篩選出，適用的PH范圍可以放寬到2～11，但對水中的游離氯和鐵含量很敏感，對膜造成一定的影響。此膜對進水水質(zhì)也有嚴格的要求，詳見表3。

表3 反滲透進水水質(zhì)要求

1.4 塔拉灘地下水水質(zhì)情況

塔拉灘地下水主要指標情況(詳見表4)，水中鐵含量和錳含量超標。

表4 塔拉灘地下水水質(zhì)情況

2 水處理工藝分析與優(yōu)化

化學補給水系統(tǒng)原水水源為項目所在地塔拉灘地下水(井深約300 m)，根據(jù)水質(zhì)分析報告和水處理設備運行實際狀況，現(xiàn)有的水處理工藝不能滿足補給水處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行制出合格除鹽水的要求，需要對現(xiàn)有的化學水處理工藝進行優(yōu)化，增設原水預處理裝置，滿足超濾進水水質(zhì)達到濁度NTU≤5 NTU,鐵小于0.3 mg/L、錳小于0.1 mg/L的要求。

2.1 地下水水質(zhì)分析

如表3所示，塔拉灘地下水水質(zhì)與超濾、反滲透進水指標進行了分析對比，發(fā)現(xiàn)濁度、鐵和錳指標含量高，嚴重超標，尤其是鐵含量是反滲透進水水質(zhì)要求的14倍。地下水中如果鐵、錳含量超標，到了地面后由于接觸空氣中的氧，水質(zhì)會變色，甚至變成茶色，出水色度增大，并且伴有腥臭味水質(zhì)特點。

2.2 原水預處理方式選擇

2.2.1僅進行水的沉淀處理形式

水的沉淀處理是向原水中投加化學藥劑，使該藥劑與水中的結垢性離子進行化學反應，生成難溶的化合物，從水中析出，使水中懸浮固體的含量可降至20 mg/L以下。目前水的沉淀主要采用沉淀池，它結構簡單、運行可靠，對水質(zhì)適應性強，其中使用最多和最成熟的就是斜管沉淀池，該沉淀池是一種在沉淀池內(nèi)設置許多直徑較小的平行傾斜管的一種裝置。

2.2.2進行水的過濾處理形式

水的過濾處理是水通過濾料或過濾介質(zhì)(常用的濾料有石英砂、無煙煤、活性炭、塑料球等)，將水中的懸浮固體截留，水質(zhì)進一步澄清，過濾處理后的水，懸浮固體的含量可降至2～5 mg/L,甚至更低，而且水中的有機物、硅化合物、細菌甚至病毒也有不同程度的降低。但是僅設置水的過濾只適合水中懸浮雜質(zhì)含量較低的水質(zhì)，否則，設備的反洗工作就會很頻繁。

2.2.3水的沉淀+過濾聯(lián)合處理形式

由于共和光熱工程是帶儲熱的熔鹽塔式太陽能發(fā)電站，其利用定日鏡將光線發(fā)射到位于塔頂?shù)奈鼰崞魃希ㄟ^加熱內(nèi)部的二元熔鹽介質(zhì)，將太陽能熱通過高溫熔鹽儲存于儲熱系統(tǒng)，然后通過管道輸送與蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)進行熱交換，產(chǎn)生高壓過熱蒸汽推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，而除鹽水作為發(fā)電介質(zhì)，水質(zhì)的好壞至關重要，一旦水質(zhì)出現(xiàn)超標，很容易在熱力管道和汽輪機葉片上發(fā)生結垢和積鹽情況，影響機組經(jīng)濟安全運行。

共和光熱工程補給水處理系統(tǒng)采用超濾+反滲透+EDI處理方式，其中超濾和反滲透膜對進水水質(zhì)要求較高，單純的沉淀處理方式和過濾處理方式不能更好的滿足水處理系統(tǒng)的進水要求，不易直接進入后續(xù)的水處理系統(tǒng)。只有將原井水經(jīng)過初步沉淀澄清處理后，除去大部分懸浮雜質(zhì)，然后經(jīng)過進一步過濾處理，將水中濁度降至5 mg/L以下，鐵含量小于0.3 mg/L，錳含量小于0.1 mg/L,甚至更低，為后續(xù)的水處理設備提供水質(zhì)保證。

經(jīng)過論證，結合實際，共和光熱工程補給水處理系統(tǒng)預處理最終選定水的沉淀+過濾聯(lián)合處理形式。

2.3 預處理設備選型

2.3.1分體式設備

水的沉淀和過濾設備分體設置，但是這種分體設備雖然設備簡單，但是占地面積較大。適合現(xiàn)場空間充足的場合和水處理量較大的場所。

2.3.2一體式處理設備

水的沉淀和處理組合在一套設備中，雖然操作相對復雜，但占地面積較小，適合現(xiàn)場空間較小的場合。由于，共和光熱工程最初的設計沒有考慮預處理設備，現(xiàn)場空間較小，分體式設備安裝不具備條件，另外，補給水處理系統(tǒng)共有2套。單套設備設計用水量為30 m3/h,水處理量較小，適合安裝一體化處理設備。在一體化水處理設備中，從經(jīng)濟性考慮采用目前應用最廣泛的設備六角蜂窩斜管沉淀過濾和石英砂過濾聯(lián)合處理的一體化凈水器。

3 預處理設備安裝與調(diào)試

3.1 預處理系統(tǒng)一體化凈水設備

凈化設備主體由調(diào)節(jié)水箱(體積30 m3)+2套一體化凈水器組成，每套處理能力30 m3/h,可以單獨運行，也可以并列運行[4]。2019年7月20日至9月20日，在共和光熱工程現(xiàn)場進行了安裝調(diào)試，實現(xiàn)全自動運行。原水預處理系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水收集到工業(yè)水池，經(jīng)工業(yè)廢水處理系統(tǒng)處理回收再利用，實現(xiàn)零排放。

3.2 預處理系統(tǒng)出水水質(zhì)情況

從出水指標分析，濁度、鐵、錳出水指標滿足超濾系統(tǒng)的進水水質(zhì)要求。

表5 預處理系統(tǒng)出水水質(zhì)統(tǒng)計表

4 效果檢查

為了進一步論證補給水系統(tǒng)優(yōu)化前、后的效果，通過水質(zhì)分析進行對比。補給水系統(tǒng)處理工藝優(yōu)化前后主要水質(zhì)指標見表6。

表6 補給水系統(tǒng)處理工藝優(yōu)化前后主要水質(zhì)指標

從表6可以看出，水處理工藝優(yōu)化后，原水中的膠體鐵含量、濁度大大降低，其中鐵含量從原來最高1.21 mg/L降低為現(xiàn)在的0.18 mg/L，降低了約9倍，濁度由最高的20.2NTU降低到2.6NTU,降低了約8倍，濁度和鐵含量滿足了超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)進水的標準，為延長超濾膜、反滲透膜、EDI系統(tǒng)的使用壽命提供了保證。

5 經(jīng)濟效益

5.1 直接經(jīng)濟效益

化學補給水系統(tǒng)處理工藝優(yōu)化后，補給水后續(xù)處理的超濾、反滲透和EDI設備的處理負擔明顯降低，運行周期變長，避免了由于膜受污染后，導致運行壽命減少。(一般超濾、反滲透膜的正常運行壽命為3 a，化學清洗6—12月進行一次，膜在服役期間化學清洗次數(shù)最多不要超過10次)。但是共和光熱工程補給水處理工藝未優(yōu)化前化學清洗每月進行一次，按此清洗頻次，反滲透和超濾膜運行1 a就需要更換1次，更換費用約41.2560萬元。費用如下：

超濾膜共計8根，每根17 550元，合計 140 400元；反滲透膜共計54根，每根5 040元，合計41.2560萬元。按照運行3 a計算，每月超濾膜和反滲透膜折損費用1.146萬元，1 a共13.752萬元。若不增加預處理設施，每年更換1次膜組件，費用合計41.2560萬元。

綜上所述，每年可節(jié)約直接費用27.504萬元。

5.2 間接效益

共和光熱工程所在地屬干旱地區(qū)，水資源相對匱乏，發(fā)電用水量主要由化學補給水處理系統(tǒng)制備，如果化學水處理工藝未優(yōu)化，需要加強對超濾、反滲透系統(tǒng)的化學清洗，清洗產(chǎn)生的廢水需要進一步無害化處理，會消耗大宗材料藥品，增加運行成本。水處理系統(tǒng)優(yōu)化后，即保證了系統(tǒng)出水的質(zhì)量，又避免水資源浪費、減輕了勞動工作量，減少了周邊環(huán)境污染。

6 結 語

通過分析論證，中電建青海共和50 MW熔鹽塔式光熱發(fā)電工程補給水處理系統(tǒng)優(yōu)化后，補給水處理超濾、反滲透系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保質(zhì)保量供給主機合格除鹽水，節(jié)約了發(fā)電成本，取得了良好的安全、經(jīng)濟、社會效益。