循環(huán)水高濃縮倍率運行的結(jié)垢風險分析及處理

宋紀雙 曹菊林 張 更 計巧珍 陳曉春

（1.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230601；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

內(nèi)陸火力發(fā)電廠多為閉式循環(huán)濕冷機組，循環(huán)水補水量和排污水量很大，提高濃縮倍數(shù)是實現(xiàn)節(jié)水減排的最重要途徑。凝汽器等設(shè)備面臨著結(jié)垢腐蝕風險，不僅影響換熱設(shè)備的傳熱、堵塞管路，而且會引起沉積物下腐蝕，對機組的發(fā)電煤耗、安全運行產(chǎn)生不利影響。因此采用高效阻垢緩蝕劑、強化過程控制和管理是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在高濃縮倍數(shù)下安全運行的保障。

國內(nèi)某發(fā)電廠為節(jié)水減排，將循環(huán)水補水水源由混合水（部分地下水經(jīng)弱酸陽床處理成軟化水，地下水再與軟化水按1∶1~1∶2混合）轉(zhuǎn)換為全地下水，并采用高效阻垢藥劑提高循環(huán)水濃縮倍率至8倍左右，循環(huán)水不投加硫酸控制堿度，冷卻塔不定期排污，少量排污水作為脫硫系統(tǒng)補水。經(jīng)過約兩周時間轉(zhuǎn)換補水水源，循環(huán)水系統(tǒng)已經(jīng)全部使用地下水作為補水。循環(huán)水由前期的無色澄清變成白色渾濁，Cl、硬度、Ca與pH等指標上升明顯，但Cl、Ca、堿度增幅嚴重不一致，因此研究采用高硬高堿水質(zhì)作為循環(huán)水補水，且在高濃縮倍率下運行，凝汽器、冷卻塔填料等設(shè)備面臨的結(jié)垢腐蝕風險顯得非常必要。

1 分析與討論

1.1 水質(zhì)分析

地下水為高硬高堿低氯水質(zhì)，循環(huán)水補水來源全部轉(zhuǎn)換完成后，Cl的濃縮倍率約8.44倍（以地下水作為補水計算），而Ca、堿度的濃縮倍率與Cl的濃縮倍率差距巨大。鑒于循環(huán)水水樣白色渾濁狀，循環(huán)水中的鈣可能并非全部以離子狀態(tài)Ca存在，故對同批次循環(huán)水水樣進行過濾、酸化煮沸等預(yù)處理后，測定相關(guān)水質(zhì)指標，結(jié)果見表1。

表1 循環(huán)水預(yù)處理后水質(zhì)

分析認為，混勻后的冷卻塔底部排污水測定的硬度、Ca數(shù)值與循環(huán)水A、循環(huán)水B基本一致，表明水樣若不經(jīng)過濾、酸化煮沸處理，僅充分混勻，不會明顯影響硬度、Ca的測定結(jié)果。循環(huán)水C硬度、Ca的測定結(jié)果大于循環(huán)水A、循環(huán)水B，表明循環(huán)水中的鈣并非完全以離子狀態(tài)Ca形式存在，還有部分鈣以分子形態(tài)CaCO微顆粒形式存在于水中，循環(huán)水因此呈白色渾濁狀。硬度和Ca測定采用EDTA絡(luò)合滴定法，EDTA只能與Ca反應(yīng)，而不能與CaCO反應(yīng)，循環(huán)水不經(jīng)過濾、酸化煮沸后CaCO被分解，鈣全部被轉(zhuǎn)化為離子形態(tài)Ca，水質(zhì)變澄清，可以與EDTA全部反應(yīng)。循環(huán)水A的SO、K、Na的濃縮倍率分別為8.48、8.40、8.87，與Cl的濃縮倍率8.44相近，而循環(huán)水C的Ca濃縮倍率為2.94，較循環(huán)水A、循環(huán)水B增大約0.3，而Δ高達5~6，表明約有64%鈣元素以CaCO微顆粒聚集并于低流速處沉淀下來。

1.2 設(shè)備運行檢修情況

補水水源轉(zhuǎn)換后對凝汽器汽側(cè)端差、真空度進行了檢查，數(shù)據(jù)見表2。

表2 凝汽器運行參數(shù)

凝汽器端差為2.40℃~3.10℃，低且穩(wěn)定，從數(shù)據(jù)分析凝汽器銅管內(nèi)未結(jié)垢或結(jié)垢極少。

水源轉(zhuǎn)換完成運行1年后，機組停機大修，對相關(guān)熱力設(shè)備進行了檢查，如圖1~圖4所示。凝汽器進、出水室銅管的內(nèi)部、管口三角區(qū)域有少量結(jié)垢，而內(nèi)壁、底部和頂部結(jié)垢增多。進水室個別銅管內(nèi)部有少量黏泥沉積，進、出水室的銅管和內(nèi)壁上的防腐涂層出現(xiàn)破損、腐蝕現(xiàn)象。冷油器內(nèi)部出現(xiàn)大量的白色米粒狀沉積物，質(zhì)軟易碎。

圖1 凝汽器進水室三角區(qū)域水垢

圖4 冷油器出水端水管結(jié)垢

分析認為，排除因凝汽器銅管使用年限久、防腐涂層破損造成的腐蝕以及前期運行形成的舊水垢外，以高硬高堿水作為循環(huán)冷卻水補水，在高濃縮倍率下運行約18個月的凝汽器銅管僅少量銅管出現(xiàn)結(jié)垢，垢松散不板結(jié)。冷油器內(nèi)部有較多銹蝕及白色沉積物，進、出水端水管沉積物呈白色粒狀，質(zhì)軟，疑是碳酸鹽，出水端隔板上有腐蝕產(chǎn)物和白色沉積物等混合物附著。

水源轉(zhuǎn)換完成運行24個月后，低溫天氣期間，填料底部與塔池之間出現(xiàn)大量水汽，冷卻塔通風效果差，冷卻塔出口循環(huán)水水溫出現(xiàn)偏高異常。對冷卻塔內(nèi)部進行檢查發(fā)現(xiàn)，淋水填料大多被灰白色垢樣堵塞，自重增加，部分填料損壞。對淋水填料內(nèi)垢樣分別進行灼燒失重分析和熒光光譜分析，結(jié)果見表3、表4。

表3 垢樣灼燒失重分析

表4 垢樣熒光光譜檢測分析

分析認為，造成自然通風冷卻塔出現(xiàn)異常應(yīng)是由于噴濺裝置噴頭或淋水填料被堵塞，因此造成噴頭噴水不均，換熱面積減小，水流在填料內(nèi)停留時間縮短，淋水密度增大，使冷卻塔出口循環(huán)水水溫升高。淋水填料堵塞使塔內(nèi)外的空氣溫度差所形成的差壓變小，且由于氣溫低，循環(huán)水的冷卻主要以接觸散熱為主，通風效果更差，大量水汽聚集。

淋水填料中垢樣在550℃灼燒失去的質(zhì)量主要包括機物、生物黏泥、化合水和硫化物等物質(zhì)，約占垢樣質(zhì)量的10.0%。在950℃灼燒所失去的質(zhì)量主要是二氧化碳，約占垢樣質(zhì)量的33.1%。二氧化碳在垢樣中的主要存在形式是碳酸鈣，經(jīng)推算垢樣中碳酸鈣含量約占75.1%，表明淋水填料中垢樣的主要成分是碳酸鈣。其來源經(jīng)分析可知，部分為循環(huán)水中原有的分子形態(tài)CaCO微顆粒，部分為循環(huán)水中的重碳酸鈣在冷卻塔受熱分解出二氧化碳后而析出的碳酸鈣。

垢樣于950℃灼燒灼燒充分后，使用熒光光譜儀進行元素定性半定量分析檢測，灼燒后的垢樣中主要成分為氧化鈣，相對含量達83.49%，其次是二氧化硅，五氧化二磷和氧化鎂，相對含量分別為6.01%，4.89%和4.70%。說明原垢樣中鈣的主要存在形式為碳酸鈣，硅來源于水體及空氣中的灰塵等，磷應(yīng)與該型藥劑的高含磷量有關(guān)，而鎂應(yīng)主要來自于水體。

2 處理及成效

2.1 清洗淋水填料

配制硫酸清洗液，對淋水填料現(xiàn)場沖洗，可溶解一部分填料內(nèi)垢樣，但由于填料通道狹小，數(shù)量多，厚度大，清洗效果有限。將部分填料拆卸下來后振動，輔之以水沖洗，清除較多垢樣。無論是化學清洗還是振動填料、水沖洗，都費時費力，且無法徹底清除垢樣，宜考慮對淋水填料進行更換。

圖2 凝汽器出水室銅管管口水垢

2.2 增設(shè)纖維過濾器

使用纖維過濾器進行循環(huán)水旁流過濾處理，可截留部分碳酸鈣顆粒及懸浮物，但由于旁流過濾處理水量占循環(huán)水總量比例非常小，因此旁流過濾處理效果有限。

2.3 循環(huán)水加硫酸

通過添加硫酸使循環(huán)水pH降低至8.2~8.4，堿度降低至6.5mmol/L左右，防止碳酸鈣顆粒析出結(jié)垢。

2.4 加強循環(huán)水排污

在未對循環(huán)水補水進行軟化、除鹽等處理的情況下，適當增加排污，目前循環(huán)水濃縮倍率降至4.5倍，防止碳酸鈣在淋水填料處析出結(jié)垢。

發(fā)電廠根據(jù)建議實施上述處理措施，冷卻塔淋水填料的上層和中層通過人工振動清理水垢得以部分恢復性能，下層填料已經(jīng)更換成新填料。填料結(jié)垢狀況未發(fā)現(xiàn)有惡化傾向，循環(huán)水水溫及凝汽器端差也恢復正常。

3 結(jié)語

將高硬高堿水質(zhì)作為循環(huán)冷卻水補水，循環(huán)水濃縮倍率維持在高水平，長期運行后凝汽器銅管結(jié)垢量少，松散，但冷卻塔淋水填料被逐漸堵塞，一方面造成冷卻塔出水水溫偏高，降低凝汽器換熱效率，另一方面填料自重增加，對填料鐵質(zhì)托架甚至承重水泥柱產(chǎn)生潛在危害。淋水填料一旦結(jié)垢嚴重，將面臨著費時費力去清洗且效果差，或花費大筆費用更換新填料的兩難選擇。

圖3 冷油器進水端水管水垢

隨著國家節(jié)能減排工作穩(wěn)步推進，一是要求發(fā)電企業(yè)對地下水的使用減少直至停用，逐步換成地表水或河水，二是要求發(fā)電企業(yè)總排口的廢水水質(zhì)符合相關(guān)要求。另外，許多發(fā)電企業(yè)為增加效益，也在逐步對機組進行供熱改造，這勢必對化水制水系統(tǒng)提出了更高的要求。部分發(fā)電企業(yè)由于建廠早，現(xiàn)有化學制水系統(tǒng)設(shè)備老化，技術(shù)落后，沒有混凝澄清處理設(shè)備及膜過濾設(shè)備，無法處理地表水或河水，制水量也不能滿足供熱要求。為從根本上解決相關(guān)問題，應(yīng)當做好以下四方面工作。1） 對化學制水系統(tǒng)進行工藝改造升級，增設(shè)混凝澄清處理設(shè)備及膜過濾設(shè)備（超濾+反滲透）。澄清池出水（低硬低堿）可作為循環(huán)水補水，膜過濾出水（預(yù)脫鹽）可作為除鹽系統(tǒng)（陽床＋陰床+混床）的進水，既能使循環(huán)水補水維持低硬度低堿度，進而提高循環(huán)水濃縮倍率，又能在不降低除鹽水品質(zhì)的同時，減少除鹽樹脂的再生頻次，滿足供熱補水量的增長。2） 考慮發(fā)電企業(yè)要實現(xiàn)廢水綜合治理、零排放的目標，依靠目前采取的廢水作為煤場沖洗水、脫硫補水，或者進入灰廠等方法僅是治標措施。我們應(yīng)當將循環(huán)排污水、脫硫廢水、樹脂再生廢水、膜化學清洗廢水等各種廢水一并納入發(fā)電企業(yè)的廢水深度處理改造中，而傳統(tǒng)混凝處理+澄清濾池+膜過濾是可能的深度處理工藝方案，處理后的回用水水質(zhì)指標好，產(chǎn)生的廢水可回到廢水深度處理設(shè)備中循環(huán)處理，進而實現(xiàn)廢水零排放目標。3） 發(fā)電企業(yè)應(yīng)要求藥劑供應(yīng)商或委托有資質(zhì)的第三方進行循環(huán)水的靜態(tài)和動態(tài)模擬試驗，以尋找性能優(yōu)異的阻垢劑，并根據(jù)試驗結(jié)果進行循環(huán)水水質(zhì)的調(diào)整和控制，保障凝汽器和冷卻塔淋水填料的安全運行。諸如對循環(huán)水進行旁流軟化處理，加硫酸降低循環(huán)水pH與堿度，按照要求投運膠球系統(tǒng)并保證膠球回收率，保證循環(huán)水流速不能過低等措施可以作為循環(huán)水運行管理的輔助手段。4） 化學方面的問題其影響往往是緩慢的，但隨著時間的積累，可能會造成大面積的停爐停機，甚至達到難以收拾的地步。因此，每次停機檢修期間應(yīng)對凝汽器、冷卻塔噴濺裝置、淋水填料和池底污泥狀況等認真檢查，并做好相應(yīng)記錄，將化學監(jiān)督工作落實到實處。另外要通過失效分析及善后處理，總結(jié)故障規(guī)律，向超前控制和預(yù)知維修方向發(fā)展，防范于未然。